KR20030085106A - 연료 전지의 흡기 필터 조립체 및 시스템 - Google Patents

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KR20030085106A
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스테너슨에이빈드
윌리엄마이클 니먼
리차드토마스 캐너파
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도널드선 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 연료 전지에 들어오는 더러운 공기류로부터 미립자 오염물질과 화학적 오염물질을 제거하기 위한 필터 조립체에 대한 것이다. 필터 조립체는 압축기와 같은 임의의 장비로부터 나오는 음파 또는 소음을 감소시키기 위한 소음 억제 부재를 또한 포함한다. 필터 조립체는 물리적 또는 미립자 오염물질을 제거하기 위한 미립자 필터 부분 또는, 화학적 오염물질을 제거하기 위한 화학적 필터 부분을 포함하거나, 또는 두 부분 모두 가질 수 있다.

Description

연료 전지의 흡기 필터 조립체 및 시스템{Filter assemblies and systems for intake air for fuel cells}
전기 에너지의 실용적 및 효과적인 생성은 전기가 개발된 이래 계속 추구되어 왔다. 수력 전기, 화석 연료 및 핵 발전 플랜트 및 배터리가 우리의 전력 필요량을 공급하는데 오랫동안 사용되어 왔다. 연료 전지를 사용하는 전력 생성은 상업적 및 주거용 용도에 빠르게 지지되어 가고 있는 비교적 최근에 개발된 것이다. 종래의 화석 연료 연소에 의한 전력원에 비하여, 이들은 비교적 깨끗하며 효율적이다. 연료 전지는 연료의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 효율적으로 변환하는 전기화학적 장치이다. 이들은 연소를 하지 않고 연료와 산화제(oxidant)를 화학적으로 화합하여 전통적인 연소 발전 시스템의 많은 비효율성과 대부분의 오염물질을 제거한다.
연료 전지는 원칙적으로 배터리와 매우 유사하게 작동한다. 그러나, 배터리와는 다르게, 연료전지는 수명이 다하거나 또는 재충전할 필요가 없다. 연료전지는 연료가 공급되는 한 전기와 열의 형태로 에너지를 계속 만든다. 일반적으로, 연료 전지는 전해질을 사이에 둔 두 개의 전극(양극 및 음극)으로 구성된다. 예를 들어, PEM 연료 전지에 대해, 양극 및 음극 전극들에 수소 및 산소가 각각 지나가서 전극들 사이에 전압을 생성하고, 전기 및 열을 생성하고, 주 부산물로서 물을 만든다. 수소 연료는 연료 전지의 양극에 공급된다. 일부는 수소를 직접 소비하고, 나머지는 연료 개질기(fuel reformer)를 사용하여 예를 들어 천연가스, 메탄올, 에탄올, 또는 가솔린 등의 탄화수소 연료로부터 수소를 추출한다. 산소는 음극에서 연료전지에 들어간다. 산소는 정화된 형태로 공급되거나, 또는 대기중의 공기로부터 직접 공급될 수 있다.
연료 전지는 수소 원자를 양성자와 전자로 분리시키기 위해 촉매를 사용하며, 양성자와 전자 각각은 음극으로 가는 별도의 경로를 취한다. 양성자는 전해질을 지나간다. 전자들은 이들이 수소 양성자 및 산소와 재결합하여 물을 형성하는 곳인 양극으로 돌아가기 전에, 에너지원으로서 사용될 수 있는 유용한 전류를 생성한다.
연료 전지는 일반적으로 음극과 양극 사이에 있는 전해질 재료를 특징으로 하며, 전해질은 이온 교환을 위한 가교(bridge) 역할을 한다. 연료 전지에는 공지된 5가지 주요한 타입이 있다. 알칼리성 연료 전지(AFCs; Alkaline fuel cells)는 액체 알칼리성 전해질을 포함하고, 주로 우주비행 임무용으로 사용되어 왔다. 양성자 교환 막 연료 전지(PEMFCs; Proton exchange membrane fuel cells)는 고체 중합체 전해질을 포함한다. 이들의 저온 작동, 고출력 밀도 및 출력 요구의 변화에 신속히 맞춰 그 출력을 변화시키는 능력은 이들이 차량 또는 건물과 같은 이동성 및 고정적인 용도 모두에 이상적으로 사용할 수 있게 한다. 인산 연료 전지(PAFCs; Phosphoric acid fuel cells)는 인산 전해질을 사용하고, 현재 상업적 발전용으로 사용되고 있다. 용융 탄산염 연료 전지(MCFCs; Molten carbonate fuel cells)는 탄산염 전해질을 포함하고, 이 탄산염 전해질은 약 650℃의 작동 온도에서 녹기 시작한다. 고체 산화물 연료 전지(SOFCs)는 세라믹 전해질 재료를 사용하고, 약 1000℃이하에서 작동한다. MCFCs 및 SOFCs 모두 일산화탄소를 연료로서 사용할 수 있다.
연료 전지는 광대한 범위의 잠재적 용도를 갖는다. 이들은 고정된 발전소(power plant)를 통해 가정, 사업 및 산업 용도로 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 연료 전지는 송전계통에 관련한 용도(grid-connected application)를 위해 또는 대부분의 소비재(consumer product)에 사용하기 위해 교류로 변환되어야 하는 직류(dc)를 만든다. 그러나, 미래의 연료 전지는 송전계통에 관련한 모드(mode) 및 송전계통에 관련하지 않은 모드 모두에서 작동될 수 있을 것이다. 거주 용도를 위해, 소형 연료 전지 발전소가 열 및 전력 모두를 만들기 위해 설치될 수 있다. 이들은 주요 송전력(primary grid power)이 들어오지 않는 멀리 떨어진 거주지들에 전력을 공급하는데 사용되고, 잠재적으로 송전 계통이 필요하지 않게 한다.
대규모의 전력 생산 용도에 부가하여, 연료 전지는 휴대용 컴퓨터(laptop computer), 휴대 전화 등과 같은 소비재 전자 제품에 전력을 공급하는 배터리를 대체할 수 있고, 미세-가공되어 컴퓨터 칩에 직접 전력을 공급할 수 있다. 연료 전지의 다른 기대할 수 있는 상업적 용도로는 차량 및 운송수단의 내연기관을 대체할 가능성이 있다. 연료 전지의 용도는 사실상 무한하다.
상술한 공지된 연료 전지 구성 모두는 전지의 화학적 과정을 수행하기 위한 필수적인 원료로서 산소를 공통적으로 필요로 한다. 디젤 엔진을 포함하는 내연기관과 같은 다른 동력원도 산소를 필요로 한다. 대부분의 상업적 용도에서, 이러한 산소가 대기중으로부터 직접 공급되는 것이 바람직하다. 그러나, 현재의 세상에서, 모든 대기는 어느 정도의 오염물질이 그 안에 있다고 인정되고 있다. 이러한 오염물질은 암설(loose debris), 벌레, 꽃잎(tree blossom) 등과 같은 비교적 큰 것이거나, 또는 먼지, 꽃가루, 스모그 또는 매연 입자 등과 같은 대기 중에 부유하는 작은 입자의 성질을 가질 수도 있다. 화학적 오염물질도 인간이 저지른 오염이든 자연적으로 발생된 것이든 간에 대기중에 널리 존재한다. 전형적인 화학적 오염물질은 방향족 탄화수소, 메탄올, 부탄, 프로판과 다른 탄화수소 및 암모니아, 질소 산화물, 오존, 스모그, 황 산화물, 일산화탄소, 황화 수소 등과 같은 휘발성 유기 화합물이 포함될 수 있다. 이러한 오염물질은 (군사적 배경에서 또는 테러리스트에의한 것과 같이) 의도적으로 또는 비의도적으로 나타날 수 있다. 비의도적인 경우에의 해결대책은 연료전지가 수많은 가변적 대기조건에 처하게 되는 이동 용도에 연료전지가 사용될 때 특히 심각하다.
효율적인 연료 전지 작동은 정교하게 균형이 조절된 화학 반응에 의존하기 때문에, 전지에 의해 사용되는 공기 내의 오염물질은 전지의 작동에 심각한 부작용을 가져올 수 있고, 그 성질에 따라, 연료 전지가 작동을 계속할 수 없게 할 수도 있다. 그러므로, 연료 전지 시스템은 유해한 오염물질을 제거하도록 설계되고 연료전지가 다양한 범위의 사용환경에서 사용될 수 있게 하는 여과 시스템을 포함한다. 다른 발전 장비도 유해한 오염물질을 제거하도록 설계된 여과 시스템을 갖는 점이 중요하다.
연료 전지 및 다른 장비가 원하는 에너지 출력을 내는데 필요한 양의 산소를 얻기 위해, 연료 전지 또는 다른 장비에 공급되는 공기 유동(air flow stream) 내에 위치하는 팬(fan) 또는 압축기와 같은 기류(air movement) 장치를 통해 산소를 함유하는 공기를 보내는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 불행하게도, 전형적인 압축기는 바람직하지 않으며 곤혹스러운 상당한 수준의 소음을 발생시킨다. 그러므로, 발전 시스템에 압축기에 의해 및/또는 압축기를 통해 그리고 주변으로의 소음을 감소 및 최소화시키는 것이 바람직하다. 또한, 시스템 사이즈를 감소시키는 것이 일반적으로 바람직하기 때문에, 시스템의 여과 및 소음 감쇠 특징부가 가능한한 물리적으로 축소되고 단일 부재 또는 하우징 내에 조합되는 것이 보다 바람직하다. 본 발명은 연료 전지 시스템을 포함하는, 효율적이고 조용한 시스템을 광범위한 용도에 사용하고자 하는 위에서 인식된 필요 및 요구를 처리한다.
그러므로, 다양한 오염물질을 갖는 환경 내에서도 기능하는 연료 전지와 같은 동력 발생기가 요망된다.
본 출원은 PCT 국제 특허 출원으로서 모든 국가를 지정하여 2002년 4월 11일 미국 법인인 도날드선 컴파니 인코포레이티드(미국을 제외한 모든 국가에 대한 출원인)의 이름 및, 미국 거주의 노르웨이 시민인 에이빈드 스테너슨; 미국 거주 및 시민인 윌리엄 마이클 니먼; 미국 거주 및 시민인 리차드 토마스 캐너파(이들 출원인은 미국에 대해서만 출원인임)의 이름으로 출원되어 있다.
본 발명은 흡기(intake air) 중의 미립자 및 화학적 오염물질을 제거하기 위한 공기 필터링 시스템에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 연료 전지의 흡기로부터 미립자 및 화학적 오염물질을 제거하며 소음 감쇠를 제공하는 필터 조립체에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 필터 조립체를 포함하는 동력 공급 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 원리들에 따라 구성된 도 1의 필터 조립체의 제 1 실시예의 평면도.
도 3은 도 2의 필터 조립체의 부분절단 사시도.
도 4는 도 3의 필터 조립체의 부분 분해도.
도 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된 도 3 및 도 4의 필터 조립체의 필터 부재 부분의 일 실시예의 사시도.
도 6은 도 5의 필터 조립체에 사용가능한 필터 매체의 일부분의 개략 사시도.
도 7은 도 5의 선 5-5를 따른 도 5의 필터 부재의 분해 단면도.
도 8은 본 발명의 필터 조립체에 사용하기 위한 도 5에 도시된 것과 유사한 필터 부재의 제 2 실시예의 사시도.
도 9는 본 발명의 필터 조립체에 사용하기 위한 도 7에 도시된 것과 유사한 필터 부재의 제 3 실시예의 분해 단면도.
도 10은 본 발명의 필터 조립체에 사용하기 위한 도 7 및 도 9에 도시된 것과 유사한 필터 부재의 제 4 실시예의 분해 단면도.
도 11은 도 3 및 도 4의 필터 조립체에 대한 소음 감쇠 대 주파수의 그래프.
도 12는 도 1의 필터 조립체의 외부 구조를 갖는 필터 조립체의 제 2 실시예의 분해 단면의 평면도.
도 13은 도 12의 필터 조립체의 화학적 흡수 부재 부분의 분해 단면도.
도 14는 도 13의 화학적 흡수 부재 부분의 단부 캡(end cap)의 우측 단부도.
도 15는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 도 1의 배기 조립체의 일 실시예의 평면도.
도 16은 도 15의 선 6-6을 따라 취한 도 15의 배기 조립체의 단면도.
도 17은 본 발명의 원리에 따라 구성된 도 1의 배기 조립체의 제 2 실시예의 측면도.
도 18은 도 17의 배기 조립체의 정면도.
도 19는 도 18의 선 19-19를 따라 취한 도 17 및 도 18의 배기 조립체의 단면도.
도 20은 도 17의 선 20-20을 따라 취한 도 17 내지 도 19의 배기 조립체의 단면도.
도 21은 본 발명의 원리에 따라 구성된 필터 조립체의 제 3 실시예의 정면도.
도 22는 도 21의 필터 조립체의 일부 분해 정면도.
도 23은 도 21 및 도 22의 필터 조립체의 하우징을 제거한 필터 및 노이즈 억제 부재의 단면도.
도 24는 도 23과 유사한 필터 및 노이즈 억제 부재의 단면도.
도 25는 도 21 내지 도 24의 필터 조립체에 대한 소음 감쇠 대 주파수의 그래프.
도 26은 공기 취급 장비, 흡기 필터 조립체 및 배기 필터 조립체를 포함하는 작은 체적의 공기 취급 시스템의 사시도.
도 27은 도 26의 흡기 필터 조립체의 분해 단면 사시도.
도 28은 도 26의 배기 필터 조립체의 분해 단면 사시도.
본 발명은 연료 전지와 함께 사용하는 것과 같은 동력 발생 시스템에 사용되는 흡기를 여과하는 필터 조립체를 제공한다. 본 발명은 그 용도가 거대한 고정적 용도의 전력 생산, 차량, 휴대용 컴퓨터 또는 휴대 전화와 같은 이용동 경량 장비, 또는 레이더 검출기 또는 센서와 같은 작은 고정적 장비이건 간에, 전력 생산을 위한 연료 전지 기술의 실용적 실시와 관련한 다수의 문제를 처리한다. 이들 용도는 1 kW 미만의 동력, 또는 수 메가 와트 이하의 동력을 뽑아낼 수 있다. 본 발명의 필터 조립체는 연료 전지에 무-오염물질의 산화제, 또는 적어도 오염물질 레벨이 감소된 산화제를 공급할 필요가 있는 일반적으로 이러한 모든 용도에서의 공통적인 요구를 처리한다.
흡기로부터 제거되는 것이 바람직한 오염물질의 양 및 타입은 흡기 중에 처음부터 존재하는 오염물질의 양과 타입에 따른다(일반적으로 연료 전지 주위의 대기 또는 환경). 여과전의 흡기 내에 존재하는 오염물질의 양 및 타입은 연료 전지의 위치 또는 적어도 흡기 위치에 따라 광범위하게 변한다. 예를 들어, 몇몇 환경은 먼지, 스모그, 매연, 또는 꽃가루와 같은 미립자 오염물질의 레벨이 높은 반면, 다른 환경은 암모니아, 일산화탄소, 이산화황, 또는 실리콘과 같은 화학적 오염물질의 레벨이 높다. 일반적으로 두 가지 환경 모두가 동등한 오염물질 프로파일을갖지는 않는다.
흡기로부터 제거되는 것이 바람직한 오염물질의 양 및 타입은 연료 전지의 타입에도 의존한다. 본 발명의 필터 조립체는 예를 들어 PEM 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 인산 연료전지, 용융 탄산염 연료전지와 같은 어떠한 타입의 연료 전지 또는 연료 전지 적층체(stack)와도 함께 사용될 수 있다. 일반적으로, 고체 산화물 연료 전지와 같은 고온에서 작동하는 연료전지는 PEM 연료전지와 같은 저온에서 작동하는 연료전지보다도 높은 레벨의 유기 오염물질을 견딜 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 특징은 연료 전지 시스템의 흡기에 대한 여과를 제공하는 것이다. 본 발명의 조립체는 들어오는 공기 흐름에 대한 미립자 여과 및/또는 화학적 여과를 제공하여 정화된 산화제를 공급한다. 대부분의 연료 전지 시스템은 공기 흐름으로 오염물질을 도입할 수 있는 압축기와 같은 몇몇 타입의 기류 장비를 포함하므로, 본 발명은 기류 장비의 하류측의 공기 여과를 처리한다.
불행히도, 기류 장비는 일반적으로 그 기류 능력에 대신하여 커다란 소음을 발생한다. 기류 장비의 로터, 임펠러, 로브(lobe), 베인, 피스톤과 같은 이동하는 부품들 및 다른 부품들이 3 Hz 내지 30000 Hz, 때로는 1m에서 85 내지 135 dB 레벨에서 50,000 Hz정도의 주파수 범위의 음파 또는 소음을 발생한다. 기류 장비로부터 나오는 소음 모두가 유쾌하지 않은 것은 아니지만, 본 발명의 다양한 조립체들은 소음 프로파일의 대부분의 유쾌하지 않은 부분들을 감소시키는 것에 대한 것이다.
특정한 일 실시예에서, 본 발명은 전력을 만드는 시스템에 대한 것이다. 시스템은 하우징과 하우징 내의 필터 부재를 포함하는 공기 필터 조립체를 포함한다.하우징은 입구 및 출구를 갖고, 입구는 필터 조립체로의 더러운 대기를 받아들이고, 출구는 필터 조립체로부터의 깨끗한 공기를 제공한다. 필터 부재는 더러운 공기로부터 미립자 오염물질을 제거하기 위해 적어도 물리적 또는 미립자 필터 부분을 포함한다. 필터 부재는 더러운 공기로부터 화학적 오염물질을 제거하기 위해 화학적 필터 부분을 또한 포함할 수 있다. 필터 조립체는 하우징 내에 있을 수 있는, 소음 억제 또는 감쇠 부재를 또한 포함한다. 소음 억제 부재는 필터 조립체를 지나는 암의 광대역 감쇠(broadband attenuation)를 제공한다. 공기 필터 조립체는 연료 전지와 같은 발전원에 작동가능하게 연결된다.
시스템은 일반적으로 연료 전지에 향상된 공기 흐름을 제공하기 위해 압축기 또는 송풍기(blower)와 같은 기류 장비를 또한 포함한다. 필터 조립체는 특히 이러한 장비로부터 나오는 소음 레벨을 감소시키도록 배치된다.
본 발명은 필터 조립체를 제공하며, 이 필터 조립체는 하우징과 하우징 내의 필터 부재를 갖는다. 하우징은 입구와 출구를 가지며, 입구는 필터 조립체로의 더러운 공기를 받아들이고, 출구는 필터 조립체로부터의 깨끗하게 여과된 공기를 제공한다. 필터 조립체는 하우징을 지나는 음을 1미터에서 적어도 3dB, 바람직하게는 적어도 6dB만큼 감쇠 또는 감소시키는, 공진기(resonator), 소음 폐색부(sonic choke), 완전 폐색부(full choke), 흡음재와 같은 소음 억제 부재를 또한 갖는다.
필터 부재는 미립자 필터 부분, 화학적 필터 부분, 그리고 선택적으로 소음 억제 부재를 포함할 수 있으며, 이들 모두는 필터 부재의 일부이다. 소음 억제 부재는 1m에서 적어도 6 dB의 광대역 소음 감쇠를 제공한다. 미립자 필터 부분은 필터 부재에 들어가는 더러운 공기로부터 미립자 오염물질을 제거하고, (만약 있다면) 화학적 필터 부분은 들어오는 더러운 공기로부터 화학적 오염물질을 제거한다. 미립자 필터 부분은 소음 억제 부재의 일부에 방사방향으로 인접하게 위치되거나 그 일부를 형성할 수 있다. 몇몇 구성에서, 미립자 필터 부분은 관통 흐름(straight-through flow)을 제공하도록 구성된다.
이러한 필터 조립체 또는 필터 부재는 소음 또는 음을 만들어 내며 (공기와 같은)흡기가 깨끗할수록 이익인 임의의 공정 또는 시스템과 함께 사용될 수 있다. 연료 전지 시스템은 본 발명의 필터 조립체가 함께 사용될 수 있는 동력 공급 시스템 중의 하나이다. 부가적으로, 필터 조립체 또는 필터 부재는 디젤 또는 가솔린 엔진과 같은 다른 동력 공급 시스템과도 함께 사용될 수 있다.
도면들을 참조하면, 유사한 도면부호는 몇몇 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타내며, 필터 조립체(10)가 장비(101)의 조립체와 조합하여 도 1에 개략적으로 예시되어 있다. 본 발명의 필터 조립체(10)의 한 가지 용도는 장비(101)에 의해 사용되는 공기 중의 오염물질을 제거하는 것이다. 필터 조립체(10)의 다른 용도는 장비(101)로부터 나오는 및/또는 장비에 의해 생성되는 소음 또는 음을 억제하는것이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 대기(50; atmospheric or ambient air)가 입구(12)를 통해 필터 조립체(10)에 들어가 수용된다. 필터 조립체(10)에 들어가기 전에, 대기(50)는 일반적으로 물리적(예를 들어, 미립자) 및 화학적 오염물질을 포함하고, 본원에서는 일반적으로 더러운 공기(dirty air)로 언급한다. 필터 조립체(10)는 더러운 공기로부터 다양한 오염물질을 제거하여 필터 조립체(10)의 출구(14)를 나가는 깨끗한 공기(54)를 제공하는 구성이다. 깨끗한 공기(54)는 장비(101)를 위한 흡기이다. 도 1에 예시된 실시예에서, 장비(101)는 연료 전지(102)를 포함한다. 연료 전지(102)는 전력을 생성하기 위해 수소(H2)와 같은 연료원과 조합하여, 흡기(54)로부터 산소를 사용한다. 물(H2O)은 연료전지(102) 내에서 일어나는 산소와 수소의 반응의 부산물이다.
본 발명의 필터 조립체(10)는 미립자 및/또는 화학적 오염물질을 제거하기 위해 하나 이상의 필터 부재(15)를 갖는다. 필터 부재(15)는 더러운 공기의 흡입측(13)과 깨끗한 공기의 출구측(17)을 갖는다. 하우징(11)은 그 안에 필터 부재(15)를 담는다. 입구(12)는 더러운 공기의 흡입측(13)과 유체가 서로 통하고, 하우징 출구(14)는 필터 부재(15)의 깨끗한 공기의 출구측(17)과 서로 유체가 통한다. 하우징(11)은 다양한 구성일 수 있고, 바람직하게는 두 개 이상의 분리가능한 섹션(section)을 포함하여, 내장된 필터 부재(15)에 액세스할 수 있다. 여러 개의 섹션이 래치(latch), 클램프, 스트랩, 또는 다른 적절한 고정 메커니즘에 의해 함께 보유될 수 있다. 필터 조립체의 두 개의 하우징 섹션을 결합하기 위한 바람직한 한 시스템으로는 미국 특허 제 6,051,042호[콜론보(coulonvaux)]에 공개된 시스템이 있다. 다른 바람직한 시스템이 미국 특허 제 5,755,842호[파텔(Patel) 등]에 공개되어 있다.
대기(50)는 하우징(11)의 입구(12)를 통해 더러운 공기로서 필터 조립체(10)에 들어가고, 필터 부재(15)의 더러운 공기의 흡입측(13)으로 전진한다. 공기가 필터 부재(15)를 지나 깨끗한 공기의 출구측(17)으로 감에 따라, 오염물질은 필터 부재(15)에 의해 제거되어 여과된 공기가 제공된다. 여과된 공기(54)는 하우징 출구(14)를 통해 필터 조립체(10)를 나가고, 장비(101)에 의해 사용된다. 공기로부터 제거되어 여과된 공기(54)를 제공하는 오염물질의 타입 및 양은 대기(50) 중에 존재하는 오염물질, 필터 부재(15)의 구성, 사용되는 연료전지의 타입, 연료전지가 작동하는 주변의 온도에 의존한다.
필터 조립체(10)는 장비(101)로부터 나와 필터 조립체(10)로 다시 들어가는 소음 또는 음의 레벨을 감소 또는 억제하기 위해 소음 억제 부재(19)를 또한 포함한다. 억제 부재(19)는 하우징(11)내에 위치될 수 있고, 몇몇 실시예에서, 억제 부재(19)는 하우징(11)의 구조 및 형상에 의해 한정된다.
연료 전지 내의 화학 반응 속도를 향상 또는 촉진하기 위해, 종종 대기압에서 연료전지를 공기중에 단순히 "노출"시키는 것에 얻을 수 있는 것보다 빠른 속도로, 또는 가압하에 산소를 포함하는 공기(54)를 연료 전지에 도입한다. 압축기 또는 송풍기가 이를 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 한 가지 구성에 따르면,장비(101)는 촉매 반응에 사용하기 위해 연료 전지(102)에 공기를 공급하는 압축기(104)를 포함한다. 압축기(104)는 연료 전지(102)의 상류측에 배치된다. 용어 "상류측(upstream)"에 의해, 공기가 압축기(104)로부터 연료 전지(102)로 흐름을 의미하고; 역으로, 연료 전지(102)는 압축기(104)의 "하류측"에 위치한다. 소음 억제 부재(19)를 포함하는 필터 조립체(10)도 압축기(104)의 상류측에 위치한다.
압축기(104)의 작동 중에, 압축기(104) 내에 일반적으로 존재하며 빠르게 움직이는 임펠러, 로터 또는 피스톤은 일반적으로 소음으로 언급되는 소리를 방출한다. 이러한 소음은 압축기의 구조 및 타입에 따라 변하는 주파수를 갖지만, 일반적으로 1m에서 85 내지 135dB의 레벨에서 3 Hz 내지 30,000 Hz의 범위이고, 때때로 50,000 Hz만큼 높다. 압축기(104)의 한가지 특정한 타입으로, 스웨덴의 오프콘 오토로터 아베(Opcon Autorotor AB)로부터 입수가능한 "리숌(Lysholm)" 트윈 스크류 압축기는 약 160 내지 1100 Hz의 범위의 소음 출력에서 동작하고 이러한 소음을 낸다. 모든 압축기는 그 작동과 관련하여 소음 또는 주파수 분포를 갖는다; 이러한 분포는 (압축기의 특정한 모델을 포함하는) 압축기의 타입에 의존하고, 입력 및 출력 유속과 주변 온도와 같은 변수(variant)들에 의존한다.
후술될 이러한 필터 구조는 본 발명의 원리를 실시하는 이러한 구조들의 특정한 실시예일 뿐이고, 본 발명의 범위는 특정하게 설명하는 구조의 세부사항에 의해 제한되지 않는다.
압축기(104)로부터의 소음은 연료 전지(102)를 지나 그 하류측으로 감은 물론이고 필터 조립체(10)를 지나 상류측으로 가는 것과 같이 가능한 모든 방향으로전해진다. 특히 억제 부재(19)를 사용하는 필터 조립체(10)는 압축기(104)의 상류측에서 및 필터 조립체 입구(12)로부터 진행하는 소리의 레벨을 1m에서 적어도 3dB만큼, 전형적으로 적어도 6dB만큼, 그리고 바람직하게는 적어도 25dB만큼 감소시킨다. 필터 부재(15)와 소음 억제 부재(19)를 포함하는, 필터 조립체(10)의 다양하고 특정한 구조들이 후술된다.
필터 조립체의 제 1 실시예
본 발명의 원리에 따라 구성된 필터 조립체의 제 1 예가 도 2에 도시되어 있다. 인식하기 쉽도록, 도 1의 개략적으로 도시된 것과 관련하여 앞서 논의한 유사한 부재들과 동일한 기능을 수행하거나 동일한 도 2의 실시예의 부재들은 도 2에 알파벳 표기(즉 "a")가 뒤에 따라온다. 도 12의 실시예와 같은 다른 실시예들을 설명할 때도 마찬가지이며, 이 경우는 알파벳 표기(즉 "b")가 뒤에 따라온다.
도 2 및 도 3은 총 전력 출력 200 kW를 제공하는 PEM 연료 전지의 적층체를 사용하는 연료전지로 작동하는 승용 버스에 사용되는 필터 조립체(10a)를 예시한다. 필터 조립체(10a)는 이러한 용도, 즉 200 kW에서 작동하는 버스를 위해 특정적으로 설계되었고 예를 들어 다른 차량 고정적 유닛 또는 휴대용 전자 장비와 같은 다른 용도를 위한 필터 조립체는 필터 조립체(10a)의 전체적인 특징을 벗어나지 않고 사이즈, 형상, 구조 및 작동 변수가 다른 이들 용도를 위해 설계될 수 있다.
도 2의 필터 조립체의 도면은 도 3에 예시한 것에 대해 그 중앙의 종방향 축에 대해 180°만큼 회전된 것으로 예시되어 있다. 필터 조립체(10a)는 일반적으로 공기 입구(12a)와 공기 출구(14a)를 형성하는 일반적으로 원통형인 하우징(11a)을포함한다. 더러운 공기(50)가 입구(12a)를 통해 필터 조립체(10a)로 들어가고, 깨끗한 공기(54)가 출구(14a)를 통해 나온다. 하우징(11a)의 외부는 주위의 장비 및 구조물에 관련하여 필터 조립체(10a)를 배치 및 고정하기 위해 장착용 브라켓(31a, 32a)을 포함할 수 있다. 출구(14a) 부근의 하우징(11a) 외부에 센서 수용 포트(35a)가 존재한다. 필터 하우징(11a)은 원통형 외의 다른 물리적 형상을 취할 수 있다; 예를 들어, 필터 조립체(10a)는 타원형(oval or obround), 정사각형, 직사각형, 또는 다른 닫힌 형상의 단면을 가질 수 있다.
하우징(11a)은 원하는 부재, 예를 들어, 입구(12a), 출구(14a) 등으로 형성될 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 하우징(11a)에 유용한 재료의 예로는 금속, 또는 플라스틱 또는 다른 중합체 재료가 포함된다. 전형적으로, 하우징(11a)은 에폭시, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 등과 같은 열가소성 또는 열경화성 중합체 재료이다. 이들 재료는 하우징(11a)을 강화하기 위해 중합체 재료 내에 직물(scrim) 또는 섬유와 같은 강화물(reinforcement)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실리콘 가스(silicone fumes)가 연료 전지에 치명적일 수 있기 때문에 하우징(11a) 또는 필터 부재(10a)의 다른 부분을 만들 때 실리콘 몰드 이형제(silicone mold release)를 피하는 것이 바람직할 수 있다. 다르게는, 몰드 이형제와 같은 오염물질을 제거하기 위해 하우징(11a)을 세척(washing) 또는 세정(cleansing)할 수 있다.
하우징(11a)의 특징으로 돌아가서, 수용 포트(35)는 하우징 내의 공동(cavity) 내에서 원하는 바에 따라 변수들을 모니터할 수 있는 센서를 수용하는 구조를 갖는다. 센서 수용 포트(35a) 내에서 사용하기에 바람직할 수 있는 센서의 일례로는 일반적으로 유동 센서 또는 유량기(flow meter)로 불리는 공기 유량 센서(air mass flow sensor)가 있다. 공기 유량 센서는 출구(14a)를 지나가는 공기의 질량을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 출구(14a)를 지나가는 공기의 질량은 도 1의 장비(101)(압축기(102), 연료 전지(104), 선택적인 배기 장비(103) 등)와 필터 조립체(10a)를 포함하는 전체 시스템을 통해 지나가는 공기 질량에 직접적인 관련이 있다. 필터 조립체(10a)를 지나가는 공기 유량의 모든 변화 특히 감소를 모니터링하여, 필터 조립체(10a) 또는 시스템 내의 다른 임의의 장비 내의 물리적 또는 미립자 필터의 수명을 추정할 수 있다. 다르게는, 출구(14a)를 지나가는 화학적 오염물질의 축적 또는 그 레벨을 모니터링하기 위해 센서가 사용될 수 있다. 출구(14a)를 지나가는 화학적 오염물질의 양을 모니터링하여, 필터 조립체(10a) 내의 화학적 필터의 나머지 수명을 추정할 수 있다.
바람직한 공기 유량 센서의 일례로는 그 와이어를 지나가는 공기의 양을 측정하기 위해 와이어의 저항 변화를 사용하는 "핫 와이어(hot wire)" 센서가 있다. 이러한 핫 와이어 센서는 예를 들어 미국 미네소타주 세인트 폴의 TSI로부터 입수가능하다. 축적된 또는 전체 오염물질을 모니터링할 수 있는 장치들의 예가 댈러스 등에게 모두 허여된 미국 특허 제 5,976,467호 및 제 6,187,596호에 공개되어 있다.
필터 조립체(10a)의 다양한 부분들이, 필터 조립체(10a)의 절단도가 제공되어 있는 도 3에 예시되어 있다. 필터 부재(15a) 및 소음 억제 부재(19a)가하우징(11a) 내에 작동가능하게 배치되어 있다.
억제 부재(19a)는 하우징(11a)에 의해 형성된 내부 공동을 지나가는 음파들을 감쇠하는 구조이다. 양호한 실시예에서, 억제 부재(19a)는 제 1 공진기(21)와 제 2 공진기(22)를 포함한다. 본 원에서 설명된 본 발명의 양호한 실시예에서, 제 1 공진기(21)는 약 900Hz의 피크(peak) 주파수에서 소리를 감쇠시키는 구성이고, 제 2 공진기(22)약 500Hz의 피크 주파수에서 소리를 감쇠시키는 구성이다. 소음 억제 부재(19; 도 1), 억제 부재(19a), 공진기(21, 22)에 관한 자세한 정보는 하기에 상술한다.
필터 조립체(10a)의 바람직한 구성의 특정한 특징들이 도 4에 예시되어 있다. 필터 조립체(10a), 특히 하우징(11a)은 약 1500mm이하, 바람직하게는 약 1000mm 이하인 길이 "L"을 갖는다. 양호한 일 실시예에서, 길이 "L"은 32 인치(813mm)이하이다. 일반적으로 원통형인 필터 조립체(10a)는 약 18 인치(460mm)이하, 바람직하게는 약 16 인치(406mm)이하의 직경 "D"를 갖는다. 양호한 실시예에서, 직경 "D"는 10 인치(254mm)이하이다. 길이 "L"과 직경 "D"는 일반적으로 필터 조립체가 함께 사용되는 시스템 내의 필터 조립체(10a)에 의해 점유되도록 할당된 체적의 양에 의존한다. 이러한 시스템 요구조건은 시스템이 사용될 용도의 공간 요구조건에 의해 좌우될 수 있다.
공기가 약 1 내지 8인치(25 내지 203mm)의 직경 "D1"의 입구(12a)를 통해 필터 조립체(10a)로 흐른다. 양호한 실시예에서, 입구 직경 "D1"은 약 4인치(102mm)이다. 하우징(11a)의 입구 단부로부터 대략 필터 부재(15a)의 더러운 공기측까지의 거리로 측정되는, 입구(12a)의 길이 "L1"은 일반적으로 약 1 내지 8인치(25 내지 203mm)이다. 양호한 실시예에서, "L1"은 약 3.5인치(90mm)이다. 출구(14a)는 약 1 내지 8인치(25 내지 203mm)의 직경 "Do"을 갖는다. 양호한 실시예에서, 출구 직경 "Do"는 약 4인치(102mm)이다.
필터 부재(15a)는 약 4 내지 8인치(102 내지 203mm)의 길이 "F"를 갖는 하우징(11a) 내의 체적을 점유한다. 필터 부재(15a)에 의해 점유되는 특정한 길이 "F"는 사용되는 필터 부재의 타입, 그 여과 능력, 억제 부재(19a; 도 3)에 할당된 전체 길이 "L"와 같은 특징에 의해 조절된다. 양호한 실시예에서, 길이 "F"는 약 7.3 인치(185mm)이다. 전형적으로, 필터 부재(15a)는 필터 부재(15a)가 배치될 경우에 직경 D의 대부분을 점유한다.
소음 억제 부재(19a)는 하우징(11a)의 나머지 길이의 대부분을 점유한다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 억제 부재(19a)는 제 1 공진기(21)와 제 2 공진기(22)를 포함한다. 제 1 공진기(21)는 약 6.4인치(163mm)의 길이 "R1"를 점유하고, 제 2 공진기(22)는 약 12.2인치(310mm)의 길이 "R2"를 점유한다. 사용되는 공진기의 개수와 공진기가 점유하는 특정한 길이(예를 들어, R1, R2)는 공진기의 원하는 소음 감쇠 특성의 함수이다. 즉, 공진기에 의해 감쇠되는 소음의 주파수는 공진기들의 구성, 특히 점유되는 체적에 의존한다. 상술한 바와 같이, 소음 감쇠 및 공진기들에 관한 부가적인 정보는 하기에 제공된다.
필터 조립체(10a) 외부의 장착 브라켓(31a, 32a)은 "LB"로 표시된 18.5인치(470mm)만큼 이격되어 있다. 제 1 장착 브라켓(31a)은 "LA"로 표시되며 입구(12a)로부터 8.9인치(227mm)만큼 이격되어 있다. 어떠한 장착 브라켓의 배치도 필터 조립체(10a)의 전체 길이 "L", 주위의 장비 또는 구조에 관한 바람직한 배치, 및 하우징(11a) 내에서의 내부 배플(baffle)들 또는 다른 구조물의 배치에 의존함이 이해될 것이다.
필터 조립체의 물리적 또는 미립자 제거 부분
본 발명의 필터 조립체(10), 특히 필터 부재(15)는 들어오는 공기(50)로부터의 미립자와 같은 물리적 오염물질을 제거하는 부분을 포함한다. 나뭇잎, 새, 설치류 및 다른 암설(debris)과 같은 큰 물체들은 스크린, 메쉬, 분리기 등에 의해 공기가 필터 조립체(10)에 도달하기 전에 들어오는 공기(50)로부터 제거된다. 물 또는 액체 분리기가 당업계에 공지된 바와 같이 필터 조립체(10)에 들어가기 전에 공기(50)로부터의 수분 또는 유체를 제거하기 위해 포함될 수 있다.
일련의 미립자 제거 부분이 필터 조립체(10)내에 사용되어, 이후에 각각의 미립자 제거 부분이 작은 사이즈의 입자들을 제거한다.
전형적으로, 미립자 제거 부분은 입자를 제거하기 위해 셀룰로오스 재료를 포함하는, 섬유망(fibrous mat) 또는 웹(web)과 같은 필터 매체를 포함한다. 미립자 제거 부분에 의해 제거되는 미립자 또는 입자의 예로는 먼지, 오물, 꽃가루, 디젤 분진, 벌레, 나무 조각 및 톱밥, 금속 부스러기, 우우진(cosmic dust) 등이 포함된다. 몇몇 미립자들은 입자의 분자 구조 및 물리적 입자로서 모두 연료 전지의 작동에 이중으로 유해할 수 있다; 예를 들어 석회석은 산성인 PEM 연료 전지의 전해질에 해를 끼칠 수 있는 기본적인 물질이다. 다른 타입의 연료 전지는 산성 오염물질에 의해 치명적인 영향을 받을 수 있다. 중합체 탄화수소(heavy hydrocarbon), 특히 도로의 타르(tar)에서 발견되는 중합체 탄화수소도 연료 전지의 작동에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
필터 매체는 미세한 미립자를 제거하는 그 효율을 개선하기 위해 다양한 방식으로 처리될 수 있다; 예를 들어, 정전기적으로 처리된 매체가 사용될 수 있으며, 하나 이상의 미세섬유(nanofiber) 층을 갖는, 셀룰로오스 또는 합성 매체 또는 이들의 조합물이 사용될 수 있고, 또는 당업자에게 공지된 다른 타입의 매체를 사용할 수도 있다. 사용가능한 미세섬유의 타입에 관한 세부사항은 예를 들어, 미국 특허 제 4,650,506호[배리스(Barris) 등]를 참조.
미립자 제거 작용을 갖는 임의의 화합물을 갖는 임의의 개수의 미립자 제거 부분들이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 바람직한 미립자 제거 시스템은 대기 중에 존재하는 오염물질의 타입, 사이즈, 성질(예를 들어, 나뭇잎, 미루나무 꽃, 솜 보푸라기, 눈, 우주진 등) 그리고 얻어지는 여과된 공기의 원하는 청정도(cleanliness level)에 의존한다. 필터 부재(15)에 사용되는 매체는 원하는 미립자 제거 효율, 필터 부재(15)의 허용가능한 압력 강하의 최대 레벨 및 다른 이러한 요인에 따라 변할 수 있다.
도 3 및 도 4의 필터 부재(15a)는 도 5에 보다 상세히 예시되어 있다. 양호한 실시예에서, 필터 부재(15a)는 중심축 둘레에 감겨 원통 형상의 필터 부재를 형성하는 필터 매체(55)를 포함한다. 필터 부재는 도면부호 60으로 표시된 밀봉(sealing) 시스템을 포함한다. 바람직한 한 가지 밀봉 시스템이 예를 들어, 미국 특허 제 4,720,292호에 공개되어 있다.
바람직한 구조에서, 필터 매체(55)는 필터 매체(55)를 지나가는 공기로부터 미립자를 제거하도록 설계되는 한편, 밀봉 시스템(60)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(11a)의 내부 측벽과 필터 부재(15a) 간의 밀봉을 제공하도록 설계된다. 용어 "밀봉"에 의해, 밀봉 시스템(60)은 정상적 조건하에 하우징(11a)의 내부 측벽과 필터 부재(15a)의 외면 사이의 영역을 지나가는 공기의 레벨이 예상된 것을 벗어나는 것을 방지함을 의미한다: 즉, 밀봉 시스템(60)은 공기 유동이 필터 부재(15a)의 필터 매체(55)를 지나가는 것을 회피하는 것을 막는다.
특정한 바람직한 배치에서, 필터 매체(55)는 관통 흐름을 위해 구성된다. "관통 흐름"에 의해, (예시된 실시예에서 입구 단부에 상응하는) 제 1 유동면(105; first flow surface)과, (예시된 실시예에서 출구 단부에 상응하는) 반대쪽의 제 2 유동면(110)을 갖도록 구성됨을 의미한다. 관통 흐름 필터가 예를 들어, 주름형 필터(pleated filter)에 비해 이를 지나가는 보다 많은 양의 공기를 처리할 수 있기 때문에, 관통 흐름이 종종 바람직하다. "관통 흐름"과 "직렬 흐름(in-line flow)" 간에는 차이가 없다고 생각한다. 공기는 제 1 유동면(105)을 통해 일 방향(114)으로 들어가고, 제 2 유동면(110)으로부터 동일한 방향(116)으로 나간다. 이 실시예에서, 제 1 유동면(105)은 도 1의 필터 부재의 더러운 공기의 흡입측(13)과 연계되고, 제 2 유동면(110)은 도 1의 필터 부재의 깨끗한 공기의 출구측(17)에 연계된다.
필터 부재(15a)가 도 3 및 도 4의 하우징(11a)과 같은 직렬 흐름 하우징과 함께 사용되는 경우에, 일반적으로 공기는 하우징(11a)의 입구(12a)를 일 방향으로 들어가고, 필터 부재(15a)로 들어가 동일한 방향에서 제 1 유동면(105)을 지나가, 제 2 유동면(110)으로부터 동일한 방향에서 필터 부재(15a)를 나가고, 출구(14a)를 통해 역시 동일한 방향으로 하우징(11a)을 나간다.
비록 제 1 유동면(105)은 입구 단부[그리고 더러운 공기의 흡입측(13)]에 상응하는 것으로 상술되고 제 2 유동면(110)은 출구 단부[그리고 깨끗한 공기의 출구측(17)]에 상응하는 것으로 상술되었지만, 입구 및 출구 단부[그리고 더러운 공기의 흡입측(13) 및 깨끗한 공기의 출구측(17)]가 역전될 수 있다. 즉, 도 5에 예시된 제 1 유동면(105)이 출구 단부에 대응하고, 도 5에 예시된 제 2 유동면(110)이 입구 단부에 대응할 수 있다. 달리 말해, 그를 지나가는 공기 유동의 방향에 관한 필터 부재(15a)의 물리적 배향(orientation)은 역전될 수 있다.
도 5에서, 제 1 유동면(105)과 제 2 유동면(110)은 평탄하고 서로에 대해 평행한 것으로 예시되어 있다. 다른 실시예에서, 제 1 유동면(105)과 제 2 유동면(110)은 평탄하지 않고, 예를 들어, 절두-원추형(frusto-conical)일 수 있다. 또한, 제 1 유동면(105)과 제 2 유동면(110)은 서로 평행할 필요가 없다.
양호한 실시예에서, 필터 부재(15a)의 매체는 감기거나 또는 말린 구성이다.즉, 필터 부재(15a)는 전형적으로 중심축 둘레에 완전히 또는 반복적으로 감긴 필터 매체 층을 포함한다. 전형적으로, 감긴 구성은 코일일 수 있고, 여기서 필터 매체층은 중심축 둘레에서 수회 감겨 있을 수 있다.
도 6을 참조하면, 본원의 필터 구성에 사용가능한 특정한 바람직한 매체의 작동 원리를 예시하는 사시도가 예시되어 있다. 도 6에서, 주름잡힌(fluted) 매체 구조는 일반적으로 도면부호 122로 표시되어 있다. 바람직하게는, 주름잡힌 매체 구조(122)는 다수의 주름(124)과 페이스 시트(132; face sheet)를 갖는 주름 층(123; layer of corrugation)을 포함한다. 도 6의 실시예는 도면부호 132a(주름 층(123)의 상부에 예시됨)와 도면부호 132b(주름 층(123)의 하부에 예시됨)에서 페이스 시트(132)의 두 섹션을 도시한다. 전형적으로, 본원에 설명되는 장치에 사용되는 바람직한 매체 구조(125)는 하부 페이스 시트(132b)에 고정된 주름 층(123)을 포함한다. 이 매체 구조(125)를 감긴 구성으로 사용하는 경우, 하부 페이스 시트(132b)가 주름 층(123)의 상부를 덮도록 그 자체 둘레에 감긴다. 주름 층(123)의 상부를 덮는 페이스 시트(132)가 도면부호 132a로 도시되어 있다. "감긴" 매체 구조에서 페이스 시트(132a, 132b)는 동일한 시트(132)임이 이해될 것이다.
이러한 타입의 매체 구조(125)를 사용할 때, 주름(124)은 바람직하게는 피크(126; peak)와 홈(128; trough)이 번갈아 있는 형상을 취한다. 피크(126)와 홈(128)은 주름(124)을 상부 열(upper row)과 하부 열로 나눈다. 도 6에 도시된 특정한 구조에서, 상부 주름은 하류측 단부에서 닫힌 주름 챔버(136)를 형성하는 반면, 그 상부측 단부가 닫혀있는 주름 챔버(134)는 주름의 하부 열을 형성한다. 주름 챔버(134)는 주름 시트(130)와 제 2 페이스 시트(132b) 사이에서 주름의 상류측 단부의 일부분을 채우는 제 1 단부 비드(138; first end bead)에 의해 닫혀 있다. 유사하게, 제 2 단부 비드(140)는 교류 형상의 주름(136)의 하류측 단부를 닫는다. 몇몇 양호한 실시예에서, 제 1 단부 비드(138)와 제 2 단부 비드(140)는 모두 매체 구조(125)의 모든 부분을 따라 직선 형태이고, 직선 경로를 벗어나지 않는다. 몇몇 양호한 시스템에서, 제 1 단부 비드(138)는 모두 직선 형태이고, 매체 구조(125)의 단부 중의 하나에서 또는 그 부근의 위치를 벗어나지 않고, 제 2 단부 비드(140)는 모두 직선 형태이고, 매체 구조(125)의 단부 중의 하나에서 또는 그 부근의 위치를 벗어나지 않는다. 주름(124)들, 페이스 시트(132), 단부 비드(138, 140)는 필터 부재(15a)로 형성될 수 있는 매체 구조(125)를 제공한다.
매체 구조(125) 형태로 구성된 매체를 사용하는 경우, 사용중에, 음영 처리된 화살표(144; shaded arrows)로 지시된 바와 같이 여과되지 않은 공기가 주름 챔버(136)에 들어간다. 주름 챔버(136)는 그 상류측 단부(146)가 개방되어 있다. 여과되지 않은 유체 유동은 그 하류측 단부(148)가 제 2 단부 비드(140)에 의해 닫혀 있기 때문에 주름 챔버(136)가 하류측 단부(148)를 지나가지 못하게 한다. 그러므로, 공기가 주름 시트(130) 또는 페이스 시트(132)를 지나 진행하도록 가압된다. 여과되지 않은 공기가 주름 시트(130) 또는 페이스 시트(132)를 지나갈 때, 공기는 세정 또는 여과된다. 세정된 공기는 음영처리되지 않은 화살표(150)로 표시되어 있다. 그 다음에 공기는 (그 상류측 단부(151)가 닫혀 있는) 주름 챔버(134)를 지나 유동하여 개방된 하류측 단부(152; 도 5)를 지나 주름 구조(122)를 나간다. 도시된구성에서, 여과되지 않은 공기가 주름 시트(130), 상부 페이스 시트(132a), 또는 하부 페이스 시트(132b)를 지나 주름 챔버(134)로 유동할 수 있다.
전형적으로, 매체 구조(125)가 준비된 다음에 감겨, 감긴 구조의 필터 매체(100)를 형성한다. 이러한 타입의 매체를 사용하도록 선택되면, 매체 구조(125)는 단부 비드(138)와 함께 (도 6에 도시된 바와 같지만 상부 페이스 시트(132a)가 없는) 하부 페이스 시트(132b)에 고정된 주름 층(123)을 포함한다. 이러한 타입의 배치에서, 매체 구조(125)는 일 단부에서 선단 에지(leading edge)를 그리고 반대쪽 단부에서 말단 에지를 포함하며, 상부 측방향 에지와 하부 측방향 에지는 선단 및 말단 에지 사이에서 연장한다. 용어 "선단 에지"로, 초기에 말리나 또는 감기는 그 에지가 감긴 구조의 중심 또는 코어에 또는 인접하게 됨을 의미한다. "말단 에지"는 마는 과정 또는 감는 과정 완료 후에 감긴 구조 외측 상의 에지이다.
선단 에지와 말단 에지는 이러한 타입의 매체 구조(125)에서 그 시트를 코일로 감기 전에 주름 시트(123)와 하부 페이스 시트(132b) 사이에 밀봉되어야 한다. 다수의 방식이 있을 수 있지만, 특정한 방법들에서, 선단 에지에서의 밀봉은 하기와 같이 형성된다: (a) 주름 시트(123)와 하부 페이스 시트(132b)가 피크(126)의 가장 높은 지점(또는 정점)에서 피크(126)를 형성하는 주름(124)을 따라 상부 측면 에지로부터 하부 측면 에지로(또는 하부 측면 에지로부터 상부 측면 에지로) 연장하는 라인 또는 경로를 따라 절단 또는 잘라진다(slicing); 그리고 (b) 밀봉제(sealant)가 절단 라인 또는 경로를 따라 하부 페이스 시트(132b)와 주름 시트(123) 사이에 발라진다. 말단 에지에서의 밀봉은 선단 에지에서의 밀봉을 형성하는 과정과 유사하게 형성될 수 있다. 다수의 상이한 타입의 밀봉제가 이러한 밀봉부들을 형성하는데 사용될 수 있지만, 한 가지 사용가능한 재료로 미국 미네소타, 세인트 폴 소재의 에이치.비. 풀러(H.B. Fuller)사로부터 구할 수 있는 비-발포(non-foamed) 밀봉제가 있다.
매체 구조(125)를 사용하는 경우, 시스템 설계자가 구조(125)를 도 5의 필터 부재(15a)와 같이, 필터 매체의 감긴 구조로 감는 것을 원할 수 있다. 매체를 감거나 마는데는 다양한 기술이 사용될 수 있다. 기다란(oblong) 또는 타원(obround, oval), 직사각형, 경주 트랙(racetrack) 형상의 프로파일과 같은 다른 여과 매체 형상을 만들기 위해 중심부가 둥글지 않은 감기 부재(non-round center winding member)가 사용될 수 있다.
매체 구조(125)는 심봉(mandrel) 또는 센터 코어없이 감길 수도 있다. 무-코어로 감긴 구조를 형성하는 한 가지 방법은 하기와 같다: (a) 선단 에지로부터 이격된 주름 시트(123)의 첫 번째 몇 개의 주름의 홈(128)들이 상부 측면 에지로부터 하부 측면 에지로 (또는 하부 측면 에지로부터 상부 측면 에지로) 스코어링(scoring)되어 구조(125)를 감는 것을 돕는다; 예를 들어, 선단 에지의 첫 번째 네 개의 주름은 홈(128)들을 따라 스코어 라인을 새긴다; (b) 밀봉제의 비드(140)가 단부 비드(138)를 갖는 측면 에지의 반대쪽의 측면 에지를 따라 주름 시트(123)의 상부를 따라 발라진다; (c) 선단 에지는 처음에는 그 자체에 대해 말리거나 또는 감긴 다음에 밀봉제 비드(140)로 밀봉되어 함께 고정된다; 그리고 (d)하부 페이스 시트(132b)가 그에 대해 고정되는 나머지 주름 시트(123)는 고정된 선단 에지 둘레에 감겨지거나 또는 말린다.
다른 방법에서, 무-코어 구조는 미국 특허 제 5,543,007호와 5,435,870호에 설명된 바와 같이, 매체 구조로부터 자동화 공정들에 의해 만들어질 수 있다. 또 다른 방법에서, 매체 구조는 수작업으로 말릴 수 있다.
이러한 필터 구조(100)와 같은 말린 구조를 사용하는 경우, 시스템 설계자는 구조(100)의 외측 주변이 제위치에 닫히거나 고정되어 필터 구조(100)가 풀리는 것이 방지됨을 보장받기 원할 수 있다. 이를 성취하는데는 다양한 방법이 있다. 몇몇 응용예에서, 외측 주변이 주변층으로 싸일(wrapping) 수 있다. 주변층은 일 측면이 접착제가 있는 플라스틱과 같이 비-다공성, 접착 재료일 수 있다. 이러한 타입의 층이 사용되는 경우, 주변층은 필터 구조(100)가 풀리는 것을 방지하고 공기가 필터 구조(100)의 외측 주변을 통해 지나가는 것을 방지하여 필터 구조(100)를 통해 지나가는 관통 흐름을 유지한다.
몇몇 응용예에서, 필터 구조(100)는 필터 구조(100)의 외측 표면에 말단 에지를 고정하기 위해 라인(160; 도 5)을 따라 접착제 또는 밀봉제로 매체 구조(125)의 말단 에지를 밀봉하여 그 감긴 구조로 고정된다. 예를 들어, 핫-멜트(hot-melt) 비드가 라인(160)을 따라 도포될 수 있다.
부가적으로 또는 다르게는, 지지부 밴드(162; support band)가 필터 구조(100)의 외측 주변 둘레에 제공되어 말단 에지를 고정할 수 있다. 도 5에서, 지지부 밴드(162)는 제 1 유동면(105)에 위치하는 것으로 도시되어 있다.
필터 부재(15a)는 제 2 유동면(110)에 위치하는 단부 프레임(200; end frame)을 포함한다. 필터 부재(15a)의 분해 단면도가 도 7에 도시되어 있다; 그 다양한 특징을 갖는 필터 구조(100)가 가상선(phantom)으로 도시되어 있다. 도 5 및 도 7을 참조하면, 프레임(200)은 외부 환형 주변 밴드(205)와 방사방향 크로스-브레이스(210; cross-brace)를 포함한다. 크로스-브레이스(210)는 외부 환형 주변 밴드 또는 칼라(205)로부터 내측으로 연장하고 필터 부재의 축 상의 중심(215)에서 만난다. 크로스-브레이스는 프레임(200)의 중심(215)에서 만날 때 환형 오목부가 형성된 시트 부분(annular recessed seat portion)을 형성한다. 주변 밴드(25)는 제 2 유동면(110)에서 필터 구조(100)의 외측 주변을 따라 연장하고, 제 2 유동면(110)으로부터 종방향에서 먼쪽으로 연장한다. 도 5 및 도 7에 도시된 특정 실시예에서, 프레임(200)은 크로스-브레이스(210)와 교차 및 연결되는 제 2 내부 환형 링(212)을 포함한다.
단부 프레임(200)은 밀봉 시스템(60)을 지지하고, 고체인, 비교적 변형하지 않는 표면을 제공하여 밀봉 시스템(60)에 의해 형성되는 필터 하우징과 필터 부재 사이가 쉽게 밀봉되게 한다. 특히, 밀봉 시스템(60)은 제 2 유동면(110)으로부터 외향으로 돌출하는 주변 밴드(205)의 말단 부분 상에 장착 및 설치되는 둥근 밀봉제 재료의 환형 링을 포함한다. 밀봉 시스템(60)은 바람직하게는 하우징(11a)의 내부 측벽들과 함께 결합하는 구조의 폴리우레탄 폼 재료와 같은 압축가능한 재료이고, 기밀성(air-tight seal)을 제공한다. 밀봉 시스템(60)은 쉽게 밀봉하고 긴밀한 밀봉(tight seal)을 보장하기 위해 최외측 직경의 치수를 감소하는 층진 단면 구조를 가질 수 있다.
일반적으로, 적절히 기능하는 반경방향 밀봉 구조를 위해, 압축가능한 밀봉 시스템(60)은 필터 부재(15a)가 하우징(11a) 내에 작동가능하게 장착되어 있을 때 압축될 필요가 있다. 많은 바람직한 구조에서, 그 가장 두꺼운 부분의 두께가 약 15% 내지 40%(종종 약 20 내지 33%) 압축되어, 강하고 튼튼한 밀봉을 제공하면서 약 80 파운드(29.9kg)이하 정도, 바람직하게는 50 파운드(18.7kg)이하, 일반적으로는 약 20 내지 40파운드(7.5 내지 14.9kg)의 힘으로 부재를 수작업으로 설치할 수 있게 된다.
본 발명의 필터 조립체에 사용되는 필터 부재의 제 2 실시예가 도 8에 필터 부재(15b)로 예시되어 있다. 필터 부재(15b)는 필터 부재(15b)의 프레임(200)이 내부 환형 링(212)을 포함하지 않는 다는 점을 제외하고는 도 5 및 도 7의 필터 부재(15a)와 유사하다.
필터 부재(15a), 필터 부재(15b) 및 다른 사용가능한 필터 부재들에 관한 부가적인 세부사항은 미국 특허 제 6,190,432호에서 찾을 수 있다.
관통 흐름 이외의 다른 필터 구성도 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 사용될 수 있는 다른 미립자 필터 구성의 예들로는 주름형 필터, 패널 필터, 일정량의 깊이의 매체를 갖는 필터 등이 포함된다.
필터 조립체의 화학적 제거 부분
도 1을 다시 참조하면, 필터 조립체(10)는 바람직하게는 흡착(adsoption) 또는 흡수에 의해 대기로부터 오염물질을 제거하도록 설계된 부분을 또한 포함한다.본원에서 사용될 때, 용어 "흡착하다", "흡착", "흡착제" 등은 흡착 및 흡수 메커니즘도 포함하는 것을 의미한다.
화학적 제거 부분은 전형적으로, 건조제(즉, 수분 또는 수증기를 흡착 또는 흡수하는 물질) 또는 휘발성 유기 화합물 및/또는 산성 가스 및/또는 염기성 가스(basic gas)를 흡착 또는 흡수하는 물질과 같은 물리적 흡착제(physisorbent) 또는 화학적 흡착제를 포함한다. 용어 "흡착제 재료", "흡착 재료", "흡착성 재료", "흡수제 재료", "흡수 재료", "흡수성 재료", 및 이들의 모든 변형은 흡착 또는 흡수에 의해 화학적 오염물질들을 제거하는 모든 물질을 커버하는 것이다. 적절한 흡착제 재료에는 예를 들어, 활성 카본 섬유, 함침된 카본, 활성 알루미나, 분자 체(molecular sieves), 이온교환 수지, 이온교환 섬유, 실리카 겔, 알루미나 및 실리카가 포함된다. 이들 재료 중 어떠한 것도 예를 들어, 칼륨 과망간산염, 칼슘 카보네이트, 칼륨 카보네이트, 나트륨 카보네이트, 칼슘 황산염, 구연산, 인산, 다른 산성 물질 또는 이들의 혼합물과 같은 재료와 화합, 코팅 또는 함침될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 흡착제 재료는 2차 재료와 화합 또는 함침될 수 있다.
흡착제 재료는 전형적으로 미립자 또는 과립형(granulated) 재료를 포함하고, 예를 들어, 과립, 비드, 섬유, 미세 분말, 미세구조(nanostructure), 나노튜브(nanotube), 에어로젤(aerogel)과 같이 다양한 구성으로 있을 수 있거나, 또는 세라믹 비드, 모노리스 구조, 종이 매체, 또는 금속면과 같은 기초 재료(base material) 상의 코팅과 같이 존재할 수 있다. 전형적으로, 흡착제 재료, 특히 미립자 또는 과립형 재료가 재료층(bed of material)으로서 제공된다.
다르게는, 흡착제 재료는 선택적으로 다른 형상을 가질 수 있는 주름 또는 벌집 구조 또는 큰 알약(large tablet), 과립, 비드와 같은 모노리스 또는 단일 형태로 형성될 수 있다. 적어도 몇몇 예에서, 특정 형상의 흡착제 재료는 필터 조립체의 정상적 또는 기대 수명 중에 실질적으로 그 형상을 유지한다. 특정 형상의 흡착제 재료는 고체 또는 액체 바인더(binder)와 화합하여 비-자유 유동 물체를 형성하는 자유 유동 미립자 재료로부터 형성될 수 있다. 특정 형상의 흡착제 재료는 예를 들어, 성형, 압축 성형, 압출 공정에 의해 형성될 수 있다. 특정 형상의 흡착제 물체는 예를 들어, 미국 특허 제 5,189,092호[코슬로브(Koslow)], 5,331,037호(코슬로브)에 설명되어 있다.
특정 형상의 물품을 제공하는데 사용되는 바인더는 건성(dry), 즉 분말 및/또는 과립 형태일 수 있고, 또는 바인더는 액체, 용매화(solvated) 또는 분산된 바인더일 수 있다. 습기에 의해 경화가능한 우레탄 및 전형적으로 "핫 멜트"로 불리는 재료와 같은 특정한 바인더는 예를 들어 분무 공정에 의해 흡착제 재료에 직접 도포될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 성형 공정 중에 제거될 수 있는 용매 또는 분산제를 포함하는 일시적 액체 바인더가 사용된다. 적절한 바인더로는 예를 들어, 라텍스, 미세결정질 셀룰로오스, 폴리비닐 알콜, 에틸렌-비닐 아세테이트, 전분, 카르복실 메틸 셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone), 다이칼슘 인산염 이수화물(dicalsium phosphate dihydrate), 나트륨 실리케이트가 포함된다. 바람직하게는, 특정 형상의 재료의 조성은 적어도 약 70 중량%, 전형적으로는 약 98 중량% 이하가 흡착제 재료를 포함한다. 몇몇 예에서, 특정 형상의 흡착제는 흡착제재료의 85 내지 95 중량%, 바람직하게는 90 중량%이다. 특정 형상의 흡착제는 전형적으로 약 2 중량% 이상, 약 30 중량%이하의 바인더를 포함한다.
화학적 제거 부분에 사용하기에 적절한 흡착제 재료의 다른 실시예는 캐리어(carrier)를 포함하는 흡착제 재료이다. 예를 들어, 메쉬 또는 직물이 흡착제 재료와 바인더를 보유하는데 사용될 수 있다. 폴레에스테르 및 다른 적절한 재료가 메쉬 또는 직물로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 어떠한 캐리어도 흡착제 재료의 약 50 중량% 이하이고, 종종 전체 흡착제 중량의 약 20 내지 40%이상이다. 캐리어 내의 특정 형상의 물체 내의 바인더의 양은 전형적으로 전체 흡착제 중량의 약 10 내지 50% 범위이고, 흡착제 재료의 양은 전형적으로 전체 흡착제 중량의 약 20 내지 60% 범위이다.
화학적 제거 부분은 공기로부터 산성 오염물질을 제거하기 위한 강염기 재료, 또는 공기로부터 연기성 오염물질을 제거하기 위한 강산성 재료, 또는 둘다 포함할 수 있다. 바람직하게는, 염기성 재료와 산성 재료는 서로 충분히 격리되어 이들이 서로 상호작용하거나 상쇄되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 흡착제 재료 자체가 강산성 또는 강염기성 재료일 수 있다. 이러한 재료의 예들에는 폴리머 미립자, 활성 카본 매체, 제올라이트, 점토, 실리카 겔, 금속 산화물과 같은 재료가 포함된다. 다른 실시예에서, 강산성 재료와 강염기성 재료는 과립형 미립자, 비드, 섬유, 셀룰로오스 재료, 미세 분말, 나노튜브 및 에어로젤과 같은 캐리어 상의 표면 코팅으로서 제공될 수 있다. 다르게는, 또는 부가적으로, 산성과 염기성 표면을 형성하는 산성과 염기성 재료는 캐리어의 적어도 일부분에 걸쳐 존재할 수 있다; 이는 예를 들어 산성 또는 염기성 재료로 캐리어 재료를 코팅 또는 함침하여 이루어질 수 있다.
대기 중에 종종 존재하며 연료 전지에 대해 오염물질로 간주되는 산성 화합물의 예들에는, 예를 들어 황 산화물, 질소 산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산 및 비휘발성 유기산이 포함된다. 대기 중에 종종 존재하며 연료 전지에 대해 오염물질로 간주되는 염기성 화합물의 예들에는, 예를 들어 암모니아, 아민(amine), 아미드(amide), 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기, 비휘발성 유기 염기가 포함된다.
PEM 연료 전지에 대해, 음극의 반응이 산성 조건 하에서 일어난다, 그러므로, 염기성 오염물질이 존재하면 바람직하지 않다. 암모니아와 같은 염기성 오염물질을 제거하기에 바람직한 재료의 일례로는, 구연산으로 함침 또는 코팅된 활성 카본이 있다.
물리적 또는 미립자 제거 부분과 화학적 제거 부분을 모두 갖는 필터 부재(15; 도 1)의 제 1 실시예가 도 9에 필터 부재(15c)로 도시되어 있다. 필터 부재(15c)는 제 1 유동면(105), 제 2 유동면(110), 지지부 밴드(162), 프레임(200), 밀봉 시스템(60)과 함께 필터 구조(100; 도 9에 가상선으로 도시됨)를 갖는다는 점에서 도 7의 필터 부재(15a)와 유사하다. 필터 부재(15c)는 특정 형상의 활성 카본과 같은 흡착제 부재(300)를 더 포함한다. 흡착제 부재(300)는 밀봉 시스템(60)과 프레임(200) 내에 위치한다. 압축가능한 밀봉 시스템(60)은 원하는 위치에서 마찰에 의해 흡착제 부재(300)를 유지하지만, 흡착제가 소모되었을 때는 교환을 위해흡착제 부재(300)를 해제하도록 변형될 수 있다.
양호한 실시예에서, 흡착제 부재(300)는 열가소성 바인더에 의해 함께 유지된 다량의 특정 형상의 활성 카본 재료이다. 바람직한 흡착제 부재(300)는 8% 에틸렌-비닐 아세테이트 바인더 레벨로 성형된 체 사이즈(sieve size) 12x20 또는 8x16의 활성 카본 재료를 포함한다. 이러한 바람직한 흡착제 부재(300)는 미국 특허 제 5,189,092호(코슬로브) 또는 5,331,037호(코슬로브)의 내용에 따라 만들어질 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 흡착제 부재(300)는 미국 메사추세스 이스트 월폴 소재의 홀링스어스 & 보스(Hollingsworth & Vose)사로부터 입수가능한 카본 재료의 층(도시않음)으로 만들어질 수 있다.
도시된 실시예에서, 흡착제 부재(300)는 제 2 유동면(110)에 인접하게 위치한다; 그러므로 필터 부재(15c)를 지나 흐르는 공기는 제 1 유동면(105)을 통해 필터 구조(100)로 들어가고 제 2 유동면(110)을 통해 나간 다음에, 흡착제 부재(300)를 지나간다. 이러한 구조는 미립자 제거 필터 구조(100)의 "하류측"에 흡착제 부재(300)를 갖는다. 필터 구조(100)를 지나가는 모든 공기는 바람직하게는 흡착제 부재(300)를 지나간다. 흡착제 부재(300)는 다르게는 필터 구조(100)의 "상류측"에 위치될 수도 있음이 이해될 것이다.
물리적 또는 미립자 제거 부분과 화학적 제거 부분 모두를 갖는 필터 부재(15; 도 1)의 제 2 실시예는 도 10에 필터 부재(15d)로 도시되어 있다. 필터 부재(15d)는 필터 부재(15d)가 제 1 유동면(105)과 제 2 유동면(110), 지지부 밴드(162), 프레임(200), 밀봉 시스템(60)과 함께 필터 구조(100; 가상선으로 도시됨)를 갖는다는 점에서 필터 부재(15a)와 유사하다. 필터 부재(15d)는 흡착제 부재(300)를 더 포함하고, 단, 흡착제 부재(300)가 프레임(200)의 크로스-브레이스(210)와 제 2 유동면(110) 사이에 위치한다. 프레임(200)의 주변 밴드(205; 도 8 참조)는 제 2 유동면(110)에 대해 흡착제 부재(300)를 보유한다. 흡착제 부재(300)는 필터 구조(100)와 프레임(200) 중의 하나 또는 각각에 영구적으로 부착되거나, 또는 이로부터 해제될 수 있다. 또한, 필터 구조(100)의 제 2 유동면(110)을 지나는 모든 공기는 바람직하게는 흡착제 부재(300)를 또한 지나간다.
필터 부재(15c, 15d)에서, 화학적 제거 부분, 특히 흡착제 부분(300)은 미립자 제거 부분과 조합되어 단일 구조를 형성한다. 몇몇 실시예에서, 화학적 제거 부분은 미립자 제거 부분으로부터 격리 및 이격된다. 또한, 미립자 제거 부분과 화학적 제거 부분은 물리적 및 화학적 오염물질을 모두 제거하는 단일 부재로 조합될 수 있음이 이해될 것이다. 일례로, 미립자 제거 부분의 필터 매체는 산성 또는 염기성 오염물질을 화학적 흡착(chemisorbing)을 하거나 또는 다르게는 반응 또는 상호작용할 수 있어 화학적 제거 부분을 제공하는 표면 처리된 섬유로 만들어질 수 있다. 다른 예로, 활성 카본 입자들의 층이 배치 및 구성되어 입자들 간의 간격이 충분히 작으면 공기로부터 물리적 오염물질을 제거할 수 있다.
미립자 및 화학적 제거 부분 모두를 포함하는, 한 가지 바람직한 필터 부재가 미국 특허 제 6,152,996호[린너스텐(Linnersten) 등]에 공개되어 있다.
연료전지 시스템과 함께 사용되는 필터 부재의 화학적 제거 부분에 관한 부가적인 정보가 2000년 9월 12일 출원된 미국 특허 출원 제 09/660,127호에 공개되어 있다.
필터 조립체의 소음 억제 부재
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 필터 조립체(10)는 소음 또는 음 억제 부재(19)를 포함하여 장비(101)로부터 나오는 소음 또는 음의 레벨을 감소 또는 억제한다. 이러한 소음 감소는 바람직하게는 1m에서 적어도 3dB만큼, 전형적으로 적어도 6dB, 바람직하게는 적어도 10dB, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 25dB만큼이다. 연료 전지(102) 내에서 일어나는 촉매 반응은 수소 연료, 음극에서의 반응, 전력 생성이 사람이 들을 수 있는 어떠한 음도 내지 않는다는 점에서 무음 과정이다. 연료 전지(102)의 구성 및 작동에 관한 세부사항은 하기에 제공된다. 그러나, 비록 연료 전지(102)가 조용하더라도, 도 1의 압축기(104)와 같은 연료 전지(102)에의 공기 유동을 증가시키기 위해 종종 사용되는 장비 또는 기계는 일반적으로 상당한 소음을 낸다. 연료 전지(102)와 연계하여 사용될 수 있는 기류 장비에는 압축기, 팬, 송풍기, 펌프가 포함된다.
압축기(104)와 같은 장비로부터 나오는 소리는 연료 전지, 장비 및 필터 조립체에 의해 허용되는 모든 방향으로 전해진다. 즉, 소리는 공기의 유동에 대해 압축기로부터 필터 조립체(10)로의 상류측으로 전파되고; 소리는 연료전지(102)로 하류측에 전파된다. 본 발명에 따르면, 필터 조립체(10)는 필터 조립체(10)의 소음 억제 부재(19)로 소음을 감쇠시켜, 압축기(104)로부터 나와 필터 조립체를 통해 주변 환경으로 가는 소음을 감소시킨다.
소음 억제 부재(19)는 소음을 감쇠 또는 감소시킬 수 있는 필터 조립체(10)의 다른 특징부와 함께 적어도 3dB만큼, 전형적으로 적어도 6dB, 바람직하게는 적어도 10dB, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 25dB만큼의 소음 감소를 제공하는 임의의 타입의 부재일 수 있다. 소음 억제 부재(19)의 예에는 머플러, 흡음 덕트(lined duct), 배플(baffle), 소음 경로의 굴곡부, 고압부(plenum), 팽창 챔버, 공진기, 소음 폐색부, 완전 폐색부, 흡음 재료, 이들의 다양한 조합이 포함된다. 소음 억제 부재에 관한 다양한 세부사항이 예를 들어 미국 특허 제 6,082,487호[안젤로(Angelo) 등]에 공개되어 있다.
특정한 전형적인 억제 부재(19)는 외벽을 포함하고, 이 외벽은 통상적으로 원통형이고 내부 체적을 형성하고, 외벽 내의 내부 체적 내로 향해진 입구 및 출구 튜브를 포함한다. 외벽 및 다른 구조는 평탄하거나 또는 편평한 표면이 최소인 것이 바람직하고; 또한 억제 부재(19)의 표면은 만곡되어 편평한 벽들에서 종종 일어나는 진동 또는 공명(drumming)의 양을 감소시킨다. 전형적인 배치에서, 출구 튜브는 소음 폐색부를 형성한다. 내부의 다공성 벽이 외벽으로부터 이격되어 있어 그 사이에 환형 체적을 형성한다. 환형 체적은 그 환형 체적 내에 흡수 재료의 패킹 또는 패딩을 포함할 수 있다. 환형 체적 내의 이러한 흡수 재료는 흡수기능을 제공하고, 외벽 또는 쉘(shell)의 공진을 감소시키는 것을 돕는다. 특정한 배치에서, 내부 다공성 벽과 환형 체적은 억제 부재(19)의 입구 영역과 정렬된다. 즉, 내부 다공성 벽은 입구 튜브의 적어도 일부분에 외접한다.
바람직한 억제 부재(19)는 공진기이다. 공진기는 닫힌 체적의 공기가 작은 개구(opening)를 통해 외부와 서로 통한다. 닫힌 공기는 한정된 범위의 주파수에서공진한다. 이러한 범위의 주파수와 감쇠 레벨은 닫힌 체적의 치수에 의존한다. 닫힌 체적 내에서 공진되는 주파수는 공진기에 의해 감쇠되는 소음 주파수를 정한다.
도 3 및 도 4에 예시된 필터 조립체(10a)에서, 닫힌 억제 부재(19a)는 제 1 공진기(21)와 제 2 공진기(22)를 포함한다. 제 1 공진기(21)가 출구(14a) 부근에 배치되고, 제 2 공진기(22)가 입구(12a)의 상류측 또는 입구에 가깝게 배치된다. 이러한 공진기의 지정된 "제 1" 및 "제 2" 위치결정은 장비(101; 도 1)로부터의 소음이 필터 조립체(10a)를 통해 출구(14a)로부터 입구(12a)로 이동할 수 있기 때문에 선택되었다. 제 1 및 제 2 공진기(21, 22)는 동일하거나 또는 상이한 범위의 소음 주파수를 제거하도록 설계될 수 있다. 일반적으로 공진기(21, 22)들이 동일한 범위의 소음 주파수를 제거하면, 소음 감소 레벨이 더 크다. 공진기(21, 22)들이 상이한 주파수 범위의 소음을 제거하면, 감소되는 전체 주파수 범위가 더 커진다.
양호한 일 실시예에서, 제 1 공진기(21)는 약 900Hz의 피크 주파수에서 소리를 감쇠시키고, 제 2 공진기(22)는 약 550Hz의 피크 주파수에서 소리를 감쇠시키도록 설계된다. 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 공진기(21, 22) 간에는 다양한 특징의 차이가 있다. 예를 들어, 제 2 공진기(22)에 의해 점유되는 체적이 제 1 공진기(21)에 의해 점유되는 것보다 훨씬 크다. 제 1 공진기(21)의 체적은 일반적으로 내부 환형 배플(25a)과 출구(14a) 사이에서 하우징(11a)의 내벽들에 의해 형성된다. 제 2 공진기(22)에 의해 점유된 체적은 필터 부재의 유동면(110; 도 5)과 내부 배플(25a) 하우징(11a)의 내벽들에 의해 형성된다. 또한, 중앙 벽 구조(28) 내의 천공부(perforation)는 제 1 공진기(21)와 제 2 공진기(22) 사이에서변할 수 있다. 예를 들어, 개구의 형상 및 사이즈, 인접한 개구들 간의 간격, 이들의 배향이 두 공진기 간에 다르다. 각각의 공진기의 다양한 특징부는 이에 의해 감쇠되는 주파수를 좌우한다. 원하는 주파수 감쇠를 위한 공진기의 설계는 소음 억제 및 감쇠 분야에서 잘 알려져 있고, 본원에서 상세히 언급하지 않는다.
부가적으로, 제 1 및 제 2 공진기(21, 22)는 두 공진기들의 중앙 벽 구조(28)의 천공부들 사이의 종방향 간격에 의해 측정되며, 약 3인치(76mm) 이격된다. 도 4에 도면부호 24로 표시된 이러한 거리는 그 1/4 파장이 이 거리와 동일한 주파수를 소리로 감쇠시킨다. 약 3인치(76mm)의 거리는 약 1100Hz의 피크 감쇠를 제공한다.
도 11은 상술한 양호한 실시예에 의해 감쇠되는 음의 레벨 및 주파수를 도표로 예시한다. 제 1 공진기(21)는 약 900Hz의 피크 주파수에서 음을 감쇠하고, 제 2 공진기(22)는 약 550Hz의 피크 주파수에서 음을 감쇠하고, 1/4파장 간격(24)은 약 1100Hz에서 음을 감쇠시킨다. 상술한 3가지의 합성 소음 감쇠는 오프콘 사에 의해 제조된 리숌 트윈 스크류 컴프레서의 160 - 1100Hz와 같은 전형적인 트윈 스크류 컴프레서의 기본적 주파수에 걸쳐 있다.
다시 도 1을 참조하면, 억제 부재(19)는 하우징(11) 내에 배치될 수 있고, 몇몇 실시예에서, 억제 부재(19)는 하우징(11)에 의해 경계가 정해진다. 필터 조립체(10a)의 실시예에서, 제 1 및 제 2 공진기(21, 22)는 하우징(11)에 의해 부분적으로 경계가 정해진다. 하우징(11a)의 내벽들은 내부 배플(25)과 함께 공진기(21, 22)에 의해 점유된 체적의 경계를 정한다.
하우징(11a)의 다양한 다른 특징부는 소음 감쇠를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 예시된 바와 같은 입구(12a)는 축방향에서 4인치(102mm)로부터 10인치(254mm)의 직경으로 종모양으로 팽창한다. 이러한 팽창은 약 3dB의 광대역 소음 감쇠를 제공한다.
필터 부재(15a, 15b, 15c, 15d) 중의 어느 하나와 같은 필터 부재(15)는 미립자 제거 부분 또는 화학적 제거 부분과 연관하여 부가적인 소음 감쇠 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 필터 구조(100; 도 5 및 도 7)는 1 dB와 같이 적은 양의 몇몇 주파수를 감쇠할 수 있다. 부가적으로, 흡착제 부재(300; 도 9 및 도 10)는 몇몇 주파수를 감쇠할 수 있다. 미국 특허 제 5,189,092호(코슬로브), 제 5,331,037호(코슬로브)에 의해 공개된 것과 같은 다양한 형상의 흡착제 부재가 약간의 소음 감쇠를 제공함을 발견하였다; 감쇠되는 주파수와 레벨(즉, dB)은 특정 형상의 흡착제 부재의 특정한 특징부들에 의존한다.
필터 조립체의 제 2 실시예
필터 조립체의 제 2 예가 도 12에 필터 조립체(10b)로서 분해 단면도로 도시되어 있다. 필터 조립체(10a)와 유사하게, 필터 조립체(10b)는 총 출력 200kW를 제공하는 PEM 연료 전지의 적층체를 사용하는 연료전지로 작동하는 승용 버스에 사용되는 것이다. 필터 조립체(10b)는 이러한 용도(즉, 200kW에서 작동하는 버스)를 위해 특정적으로 설계되었고, 다른 용도의 필터 조립체는 필터 조립체(10b)의 전체적 특징들로부터 벗어나지 않고 다른 사이즈, 형상, 구성의 그 용도에 맞게 설계됨이 이해될 것이다.
필터 조립체(10b)는 입구(12b)와 출구(14b)의 경계를 정하는 하우징(11b)을 포함한다. 더러운 공기(50)는 입구(12b)를 통해 필터 조립체(10b)로 들어가고, 깨끗한 공기(54)는 출구(14b)를 통해 나간다. 하우징(11b)의 외부는 주변의 장비 및 구조에 대해 필터 조립체(10b)를 배치 및 고정하기 위해 장착 브라켓(31b, 32b)을 포함한다. 센서 수용 포트(35b)는 하우징(11b)의 외부에 존재하여 원하는 바에 따라 센서를 연결할 수 있게 한다. 필터 부재(15a)는 하우징(11b) 내에 배치된다. 이 실시예의 필터 조립체(10b)에서, 사용되는 필터 부재(15a)는 제 1 실시예의 필터 조립체(10a)의 필터 부재(15a)와 같다. 하우징(11b) 내에는 소음 억제 부재(19b)가 또한 있다.
소음 억제 부재(19b)는 약 900Hz의 피크에서 음을 감쇠하는 구성의 공진기(23)를 포함한다. 공진기들에 관한 상세한 정보는 필터 조립체(10a)의 제 1 실시예에 관해 상술되어 있다. 공진기(23)는 필터 조립체의 출구 포트(14b)와 유체가 서로 통하고 작동가능하게 연결된 일 단부와, 환형 장착 브라켓(342)에 고정된 반대쪽 단부를 갖는다. 장착 브라켓(342)은 이를 지나 공진기(23)로 공기가 지나갈 수 있게 하는 다공성 중심부를 갖고, 입구 포트(12b)를 향하는 방향으로 공진기(23)로부터 축방향으로 멀어지는 방향으로 돌출하는 원통형 연장 플랜지(345)를 포함하는 환형 밀봉 시트(343)를 형성한다. 플랜지(345)의 말단부는 외향으로 벌어지며, 그 이유는 후술한다.
필터 조립체(10b)는 도 13에 확대 도시된 흡착체 부재(310)를 또한 포함한다. 흡착체 부재(310)는 제 1 및 제 2 단부(330a, 330b) 사이에서 각각 연장하는원통형 카본 부재(330)를 포함한다. 카본 부재(330)는 양호한 실시예에서, 열가소성 바인더에 의해 함께 보유된 중공 원통형으로 압출된 활성 카본이다. 카본 부재(330)는 예를 들어 미국 특허 제 5,189,092호(코슬로브), 제 5,331,037호(코슬로브)의 내용에 의해 만들어질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 필터 부재(15a)와 같은 필터 부재는 흡착재 부재(310)와 같은 흡착재 부재와 조합되어 미립자 및 화학적 여과 모두를 제공하는 단일 구조물이 될 수 있다. 예를 들어, 미립자 제거 매체는 카본 부재(330)의 외면 둘레에 배치될 수 있다. 미립자 및 화학적 제거 부분 모두를 포함하는 필터 부재가 미국 특허 제 6,152,996호(린너스텐 등)에 공개되어 있다.
흡착제 부재(310)의 압출된 원통형 카본 구조(330)는 단부(330a)에서 밀봉 시스템(340)에 직접 부착하고 단부(330b)에서 단부 캡(350)을 부착하기 위한 고체면을 갖는다. 이러한 "고체" 카본/바인더 압출물은 그 자체가 여과된 공기 흐름으로 어떠한 카본 또는 다른 미립자 또는 오염물질을 방출하지 않는 단일화된 흡착제 필터 부재(310)를 또한 포함한다.
단부 캡(350)은 카본 흡착 부재(330)의 단부(330b)에 밀봉되게 고정된다. 단부 캡(350)은 필터 부재(15a)를 나가는 공기의 방향을 전환하여, 카본 흡착 부재(330)의 중앙 보어(bore) 영역으로 직접 축방향으로 이동하는 것보다 도 12에 도시된 바와 같이 장착되었을 때 공기가 카본 흡착 부재(330)의 외측 원통면을 따라 지나가게 한다. 필터 부재(15a)를 나가는 공기는 캡(350)의 만곡면(355)에 충돌하고, 필터(15a)로부터의 그 "직선" 유동으로부터 반경방향 성분을 갖는 유동으로경로가 바뀐다. 만곡면(355)은 축방향으로 정렬된 팁(352; tip)으로부터 방사방향으로 연장하는 아치(arcuate) 형상의 표면이다. 만곡면(355)은 공기를 최소의 저항으로 원활하게 전환한다. 팁(352)은 캡(350)의 노출된 만곡면(355)의 중심점이고, 몇몇 실시예에서 팁(352)은 캡(350)의 중심에 위치하지 않을 수 있다. 편평하거나 또는 층진 면과 같은 다른 표면 형상의 단부 캡(350)이 사용될 수 있다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 단부 캡(350)은 공기가 카본 부재(330)의 외면을 따라 및 그 개구를 지나가기 위한 개구(354)를 포함한다. 반경방향 암(356; radial arm)은 개구(354)를 형성 및 분리하고, 캡(350)을 구조적으로 지지해준다. 부가적으로, 약간의 공기가 캡(350)의 외측 주변 둘레 및 하우징(11b)의 내부와 캡(350) 사이를 지나갈 수 있다.
흡착제 부재(310)는 도 12에 도시된 바와 같이 작동가능하게 장착될 때, 밀봉 시스템(340)은 장착 브라켓(342)의 플랜지(345; 도 12)와 밀봉 시트(343), 흡착제 부재(310) 사이의 단부(330a)에서 기밀성 밀봉을 제공한다. 플랜지(345)의 벌어진 말단부는 밀봉 시스템(340)을 밀봉 시트(343)에 안내하는 것을 돕는다. 배플(25b)과 단부 캡(350)과 조합하여 형성된 밀봉은 흡착제 부재(310)를 지나는 공기 유동에 대한 것이고, 정상적 조건하에서 공기가 먼저 카본 부재(330)를 지나기 전에 장착 브라켓(342)을 지나 공진기(23)로 가는 공기가 의도한 레벨을 벗어하는 것을 방지한다. 공기가 입구(12b)로부터 출구(14b)로의 방향으로 흐르면, 배플(25b)은 장착 브라켓(342)의 하류측, 그리고 공진기(23)와 하우징(11b)의 측벽들의 내면 사이를 밀봉한다. 단부 캡(350), 배플(25b), 밀봉 시스템(340)은 모든공기가 필터 조립체 출구(14b)로 가기 전에 필터 부재(15a)로부터 카본 흡착제 부재(330)를 지나 그리고 장착 브라켓(342)을 지날 것을 요구한다.
밀봉 시스템(340)은 전형적으로 폴리우레탄과 같은 가요성 압축가능한 재료로 만들어진다. 도 13에 예시된 실시예는 최외측 치수가 감소되는 "층진" 형상을 갖는 밀봉 시스템(340)을 도시하며, 이는 장착 브라켓(342)의 연장 플랜지(345)와 밀봉 시트(343)에 대한 배치 및 밀봉을 향상시킨다. 미봉 시스템(340)은 공진기(23)에 들어가기 전에 필터 부재(15a)로부터 카본 부재(330)를 통해 안내된다.
상술한 바와 같이 공기 유동을 관리하는 것에 부가하여, 단부 캡(350)은 프레임(200; 도 5 참조)과, 특히 프레임(200)의 중심(215)과 결합하여 흡착제 부재(310)의 제 2 단부(330b)를 필터 부재(15a)에 구조적으로 지지 및 고정해준다. 팁(352)은 중심(215)의 오목 부분에 함께 작동하도록 삽입되고 이에 의해 유지되는 구성이다. 하우징(11b) 내의 다른 특징부들이 흡착제 부재(310)를 원하는 위치에 유지하는데 사용될 수 있지만, 프레임(200) 내의 팁(352)의 장착은 흡착제 부재(310)가 필터 부재(15a)와 축방향으로 정렬된 상태를 유지한다. 프레임(200)에 의해 팁(352)에 작용하는 축방향 압력은 흡착제 부재(310)가 밀봉 시트(343)에 대해 밀봉 시스템(340)과 밀봉 결합(seal engagement)하여 작동가능하게 유지되게 한다.
각각의 밀봉 시스템(340)과 캡(350)은 카본 부재(330)에 일시적으로 또는 영구적으로 부착될 수 있다. 영구적 부착을 제공하기 위해, 밀봉 시스템(340)은 예를들어 접착에 의해 또는 밀봉시스템(340)을 직접 카본(330)에 성형하여 카본(330)에 부착될 수 있다. 캡(350)의 영구적 부착을 위해, 캡(350)은 예를 들어 접착에 의해 카본(330)에 부착될 수 있다. 캡(350)은 카본(330)의 제 2 단부(330b)의 일부를 수용하기 위해 환형 리세스를 포함할 수 있다.
흡착제 부재(310)는 화학적 제거 부분으로서 및 소음 억제 부재(19b)의 부재로서 양쪽으로 기능한다. 흡착제 부재(310)는 이를 지나가는 공기로부터 화학적 오염물질을 제거하기 위한 흡착제 재료를 포함한다는 점에서 도 9 및 도 10의 흡착제 부재(300)와 기능적으로 유사하다. 하우징(11b)의 내부와 흡착제 부재(310) 사이의 체적은 소음을 억제 또는 감쇠하기 위한 공진기로서 기능할 수 있다. 부가적으로, 흡착제 부재(310)의 카본 부재(330)는 직접적으로 음을 흡수하여, 독립적인 소음 감쇠를 제공할 수 있다. 양호한 실시예에서, 흡착 부재(310)는 적어도 약 700Hz, 종종 700Hz 이상의 주파수 피크를 감쇠하는 구성이다.
다른 배치의 흡착제 부재 및 흡착제 재료는 화학적 제거 특성과 소음 억제 특성 모두를 가질 수도 있다. 부가적으로, 필터 부재(15a)와 같은 물리적 또는 미립자 필터 부재는 약간의 소음 억제 특성을 가질 수 있다.
필터 조립체의 제 3 실시예
필터 조립체의 제 3 예가 도 21 내지 도 23에 필터 조립체(10c)로 도시되어 있다. 필터 조립체(10c)는 총 출력 25 kW를 제공하는 PEM 연료 전지의 적층체를 사용하는 승용차와 같은 연료 전지에 의해 작동되는 차량에 사용되는 구성이다. 필터 조립체(10c)는 이러한 용도(즉, 25 kW에서 작동하는 차량)를 위해 특정적으로 설계되었고, 다른 용도를 위한 필터 조립체가 필터 조립체(10c)의 전체적 특징으로부터 벗어나지 않고 사이즈, 형상, 구조가 다른 이들 용도를 위해 설계될 수 있다.
필터 조립체(10c)는 도 22에 도시된, 입구(12c)와 출구(14c)의 경계를 정하는, 일반적으로 원통형인 하우징(11c)을 포함한다. 더러운 공기가 입구(12c)를 통해 필터 조립체(10c)로 들어가고, 깨끗한 공기가 출구(14c)를 통해 나간다. 물리적 또는 미립자 필터(415)는 하우징(11c) 내에 배치된다. 필터 부재(415)가 관통 흐름을 제공하는 원통형으로 또는 나선형으로 감긴 주름진 여과 매체(412)를 갖는다는 점에서 필터 부재(415)는 제 1 실시예의 필터 조립체(10a)의 필터 부재(15a)와 구성이 일반적으로 유사하다. 밀봉 시스템(460)을 포함하는 단부 프레임(420)은 하우징(11c)에 대해 기밀성의, 누수되지 않는 결합을 제공하기 위해 필터 부재(415)의 일 단부에 연결된다. 흡착제 부재(430)는 필터 부재(415)의 하류측에 위치된다. 흡착제 부재(430)는 상술한 어떠한 흡착제 재료일 수도 있지만, 바람직하게는 예를 들어, 성형, 압축 성형, 또는 압출 공정에 의해 만들어진 특정 형상의 흡착 물품이다. 필터 부재(415)는 흡착제 부재(430)가 미립자 여과 매체(412)와 단부 프레임(420) 사이에 위치한다는 점에서, 도 10의 필터 부재(15d)와 유사하다. 또한 하우징(11c) 내에는 소음 억제 부재(19c)가 있다. 이 실시예에서, 소음 억제 부재(19c)는 하기에 상세히 설명하는 바와 같이, 제 1 공진기(421)와 제 2 공진기(422)를 갖는다.
하우징(11c)은 원하는 부재, 예를 들어 입구(12c), 출구(14c) 등을 제공할 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 하우징(11c)에 사용가능한 재료의 예에는 에폭시, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 등과 같은 금속 또는 중합체 재료가 포함된다. 하우징(11c)은 둘 이상의 분리가능한 섹션을 가져, 내장된 필터 부재(415) 및 다른 부재에 액세스할 수 있다. 다수의 섹션이 래치, 클램프, 스트랩, 또는 다른 적절한 고정 메커니즘에 의해 함께 보유될 수 있다. 양호한 실시예에서, 입구(12c)는 다수의 섹션을 함께 보유하는 래치로도 기능한다. 하우징(11c)의 외부는 주변의 장비와 구조에 대해 필터 조립체(10c)를 배치 및 고정하기 위해 상술한 브라켓(31a, 31b)과 유사한 장착 브라켓(31c)을 포함한다.
필터 조립체(10c)는 필터 조립체(10c)를 지나는 소음 경로가 공기 경로와 다르다는 점에서 상술한 필터 조립체(10a, 10b)와 다르다. 각각의 필터 조립체(10a, 10b)에서, 소음은 공기 유동 경로와 같지만 다른 방향의 경로를 추종한다. 즉, 소음은 필터 조립체(10a, 10b)를 지나는 공기의 반대방향으로 전파된다. 이 제 3 실시예에서, 소음은 출구(14c)를 통해 필터 조립체(10c)로 들어가고, 소음 억제 부재(19c)로 전진하고 이에 의해 감소된다. 공기 유동은 입구(12c)를 통해 필터 조립체(10c)로 들어가고, 필터 부재(415), 흡착제 부재(430)를 지나가고, 출구(14c)를 통해 나간다. 정상적인 공기 유동 경로는 공기가 소음 억제 부재(19a, 19b)를 각각 지나가는 필터 조립체(10a, 10b)에서화는 달리 소음 억제 부재(19c)를 지나가지 않는다.
또한, 상술한 필터 조립체(10a, 10b)와는 다르게, 필터 조립체(10c)는 필터 부재(415)가 소음 억제 부재(19c)와 단일의 배치를 사용한다. 용어 "단일(unitary)"에 의해, 필터 부재(415)가 소음 억제 부재(19c)에 실질적으로 영구적으로 부착 또는 연결되어, 고의적 또는 파괴 행위를 제외하고는 필터 부재(415)가 소음 억제 부재(19c)로부터 제거될 수 없음을 의미한다. 도시된 실시예에서, 필터 부재(415)는 소음 억제 부재(19c) 둘레에 여과 매체층들을 감아 구성되고; 소음 억제 부재(19c)는 필터 부재(415)에 대해 코어로서 기능한다. 필터 부재(415)를 만드는 특정한 세부 사항은 여과 매체가 소음 억제 부재(19c) 둘레에 감긴다는 점을 제외하고는 필터 부재(15a)와 관련하여 설명한 것이다. 바람직하게는, 흡착제 부재(430)는 필터 부재(415)와 소음 억제 부재(19c)와도 단일체이다. 다른 디자인에서, 필터 부재(415)와 흡착제 부재(430)와 소음 억제 부재(19c) 중의 어떠한 것이 이들 중에서 제거될 수 있음이 이해될 것이다.
소음 억제 부재(19c)는 도 23에 도시된 제 1 공진기(421)와 제 2 공진기(422)를 포함한다. 소음은 출구(14c; 도 22)를 통해 필터 조립체(10c)로 들어가고, 제 1 공진기(421)와 제 2 공진기(422)에 의해 감쇠된다. 제 1 공진기(421)는 매우 작은 직경을 갖는 기다란 튜브에 의해 형성된 일반적으로 작은 체적을 갖는다. 제 2 공진기(422)는 제 1 공진기(421)보다 큰 체적을 갖고, 제 1 공진기(421)를 환형 및 방사방향으로 둘러싸게 배치된다. 제 2 공진기(422)는 비-평탄한 또는 비-평편한 제 1 단부(424)와, 반대쪽의 비-평탄한 또는 비-평편한 제 2 단부(425)를 갖는다. 비-평탄한 또는 비-평편한 단부(424, 425)들은 잔향(echo)을 최소화하고 보다 소음을 더 잘 감쇠시킨다. 제 2 공진기(422)의 특정 실시예에서, 제 1 단부(424)는 공진기(422)를 향해 내측으로 만곡되게 볼록하고, 제 2 단부(425)는 공진기(422)로부터 외측에서 멀어지게 만곡되게 오목하다. 제 1단부(424)는 이를 지나는 음파가 지나가기 위한 다수의 원주방향으로 이격된 개구(454)를 포함한다. 즉, 개구(454)는 제 2 공진기(422)로의 음파의 입구로서 작용한다. 제 1 공진기(421)에 대해, 목(451; neck)은 제 1 공진기(421)로의 음파의 입구로서 작용한다.
공진기(421, 422)에 의해 감쇠되는 주파수는 점유되는 체적, 길이, 직경, 목(451)의 직경, 개구(454)의 개수, 단부(424, 425)의 곡률 등과 같이 다양한 치수에 의존한다. 이 실시예에서, 제 1 공진기(421)는 제 2 공진기(422)보다 높은 주파수를 감쇠하는 구성이다. 부가적으로, 제 1 공진기(421)는 보다 넓은 범위의 주파수를 감쇠시킨다; 즉, 제 1 공진기(421)는 제 2 공진기(422)보다 넓은 감쇠 범위를 갖는다.
도 25는 필터 조립체(10c)에 의해 감쇠되는 레벨 및 주파수를 도표에 의해 예시하며, 여기서 제 1 공진기(421)는 약 1000 Hz의 피크 주파수의 음을 감쇠하고, 제 2 공진기(422)는 약 540Hz의 피크 주파수의 음을 감쇠한다. 두 공진기(421, 422)의 합성 소음 감쇠는 전형적인 트윈-스크류 압축기의 기본적 주파수 범위에 걸쳐 있다. 원하는 주파수를 공명 또는 감쇠하도록 설계된 제 1 공진기(421)는 필터 부재(415)를 만들기 위해 여과 매체를 제 2 공진기(422)에 감을 때 스핀들 상에 장착하기 위한 수용부(receptor)로서도 기능할 수 있다. 조합된 공진기 구조(19c)는 그 위에 미립자 필터 매체가 감기는 스풀(spool)로서 기능한다.
도시된 양호한 실시예에서, 필터 조립체(10c), 특히 하우징(11c)은 약 500mm 이하의, 바람직하게는 약 400mm 이하의 길이를 갖는다. 부가적으로, 일반적으로 원통형인 필터 조립체(10c)는 약 300mm 이하, 바람직하게는 약 260mm 이하인 직경을 갖는다. 양호한 단일체 필터 부재(415), 흡착제 부재(430), 소음 억제 부재(19c)의 특정적인 특징들이 도 24에 예시되어 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 필터 부재(415), 흡착제 부재(430), 소음 억제 부재(19c)와 같은 부재와 필터 조립체(10c)의 다양한 치수는 필터 조립체가 사용되는 시스템 내에서 필터 조립체(10c)가 점유하도록 할당되는 체적에 일반적으로 의존한다.
필터 조립체(10c)가 설계되는 양호한 실시예에서, 필터 부재(415)는 약 240mm이하, 바람직하게는 약 200mm 이하의 길이 "F"("F 프라임")를 갖는다. 양호한 실시예에서, "F' "은 약 191mm 이하이다. 이 거리에서, 약 50mm이하, 바람직하게는 약 20mm 이하가 흡착제 부재(430)에 의해 치수 "C"만큼 점유된다. 양호한 실시예에서, "C"는 약 6.2mm 이하이다. "FM"에서 측정된 주름형 여과 매체(412)는 약 200mm 이하, 바람직하게는 약 180mm 이하를 점유한다. 양호한 실시예에서, "FM"은 약 150mm 이하이다. 필터 매체(415)가 점유하는 직경, "DF"는 일반적으로 약 290mm 이하, 바람직하게는 약 270mm 이하이다. 양호한 실시예에서, 필터 매체(415)는 약 230mm의 직경 "DF"를 갖는다.
도 25의 원하는 소음 억제 특성을 얻기 위해, 소음 억제 부재(19c)는 하우징(11c)과 함께 조합된 필터 부재(415), 흡착제 부재(430), 소음 억제 부재(19c)의 직경의 대부분을 점유한다. 도 21 내지 도 24에 도시된 실시예에서, 소음 억제 부재(19c)는 제 1 공진기(421)와 제 2 공진기(422)를 포함한다. 제 1 공진기(421)는 약 23mm의 목(451)에서 직경 "DR1"을 갖고, 제 2 공진기(422)는 약 178mm의 직경 "DR2"을 갖는다. 제 2 공진기(422)는 필터 부재(415)를 지나 연장하는 제 2 공진기(422)의 일부분과 함께 약 267mm의 전체 길이 "LR2"를 갖고; 제 2 공진기(422)는 필터 부재(415)의 밀봉 시스템(460)을 지나는 약 37mm의 거리 "L"를 연장한다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 제 1 공진기(421)와 제 2 공진기(422)에 의해 점유되는 특정한 체적은 소음 억제 부재(19c)의 소음 감쇠 특성에 영향을 미친다. 특히, 공진기(421, 422)의 길이 및 직경(DR1, DR2)은 공진기의 원하는 소음 감쇠 특성의 함수이다.
조합된 필터 부재(415), 흡착제 부재(430), 소음 억제 부재(19c)의 전형적인 특정한 실시예에서, 소음 억제 부재(19c)가 조합된 필터 부재(415), 흡착제 부재(430), 소음 억제 부재(19c)의 직경의 약 50 내지 90%를 점유할 때, 소음 억제 부재(19c)에 의해 점유되는 필터 조립체(10c)의 단면적은 약 25 내지 81%이다. 바람직하게는, 소음 억제 부재(19c)의 직경은 전체 직경의 60 내지 80%이고, 이는 전체 단면적의 약 36 내지 64%일뿐이다. 양호한 실시예에서, 소음 억제 부재(19c)는 약 178mm의 직경을 갖고, 필터 부재(415)는 약 230mm의 직경을 갖고, 소음 억제 부재(19c)는 직경의 77%를 점유하지만 면적의 60%만을 점유한다.
필터 부재, 흡착제 부재, 소음 억제 부재의 다른 조합된 배치가 본 발명에 따른 필터 조립체에 유용할 수 있다. 소음 억제 부재는 임의의 개수의 공진기를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 상술한 바와 같이, 필터 부재, 하우징, 및/또는 흡착 부재(예를 들어, 카본 부재)는 소음을 감쇠할 수 있다. 이러한 조합된 배치는 미립자 또는 물리적 오염물질, 화학적 오염물질을 제거하고, 소음 감쇠 또는 억제를 또한 제공하는 단일의 제거가능하고 교환가능한 유닛을 제공한다.
필터 조립체의 제 4 실시예를 논의하기에 앞서, 연료전지(102)를 포함한 도 1의 장비(101)의 나머지 구성요소를 설명한다.
연료전지
도 1에서, 본 발명의 필터 조립체(10)와 함께 작동하는 장비(101)는 연료전지(102)를 포함한다. 연료전지 및 장치는 전해질이 그 사이에 있는 두 개의 전극(양극, 음극)을 갖는다. 주요 타입의 공지된 연료전지 구조는 본 명세서의 배경 기술에서 설명하였다. 이들은 모두 하기에 간략히 설명하는 공통적인 특징을 갖지만, 작동 온도, 작동 효율에 있어서 다르다. 수소 연료원이 양극으로 보내지며, 여기서 수소 전자가 유리되어 양으로 대전된 이온이 남게 된다. 유리된 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 전달되고, 그 과정에서 외부 전기 회로에 대한 전원으로서 사용될 수 있는 전류를 제공한다. 양으로 대전된 이온은 연료 전지 전해질을 통해 음극으로 확산되고, 음극에서 이온은 전자 및 산소와 화합하여 이 과정의 부산물인 물을 형성한다. 음극 반응을 가속하기 위해, 촉매가 종종 사용된다. 연료전지 반응에 종종 사용되는 촉매의 예에는 니켈, 백금, 팔라듐, 코발트, 세슘, 네오디뮴, 및 다른 희토류 금속이 포함된다.
양자 교환막(PEM; proton exchange membrane) 타입의 연료전지가 그 저온 작동, 고전력 밀도 및 전력 요구의 변화에 맞게 그 출력을 빠르게 변화시킬 수 있는 능력으로 인해 차량을 구동하는 용도의 대중적인 연료 전지 구성이다. PEM 연료 전지는 전형적으로 약 70 내지 100℃, 가끔 200℃이하의 낮은 작동 온도 때문에 종종 "저온 연료 전지"로 간단히 언급된다. 본원에 예시된 양호한 실시예의 연료 전지(102)는 바람직하게는 저온 구성의 PEM타입이다. 고온 연료 전지는 전형적으로 이들의 높은 작동 온도 때문에 화학적 오염물질에 대해 민감하지 않다. 그러나, 고온 연료 전지는 미립자 오염물질, 몇몇 형태의 화학적 오염물질에 민감하므로, 고온 연료 전지는 본원에 설명한 여과 특징으로 이득을 볼 수 있다. 저온 및 고온의 두 타입의 연료 전지 모두 일반적으로 시끄러운 장비와 조합하여 사용된다.
다양한 연료 전지가 예를 들어, 캐나다 뱅쿠버 소재의 발라드 파워 시스템즈, 인크.(Ballard Power Systems, Inc.); 미국 커네티컷 소재의 인터네셔널 퓨얼 셀즈; 미국 커네티컷 로키 힐 소재의 프로톤 에너지 시스템즈, 인크.; 미국 매사추세츠 소재의 어메리컨 퓨얼 셀 코포레이션; 독일 에를랑엔 소재의 지맨스 아게; 독일의 스마트 퓨얼 셀 게엠베하; 미국 미시건 디트로이트 소재의 제네럴 모터즈; 일본의 도요타 모터 코포레이션으로부터 상업적으로 입수가능하다.
각각 양극, 음극, 전해질을 갖는 개개의 연료 전지는 원하는 양의 외부 출력을 제공하도록 "적층체"로 구성된다. 본 발명의 원리는 일반적으로 어떠한 연료 전지 구성의 작동에도 도움을 줄 수 있다고 인식된다. 예를 들어, 전형적인 승용 버스는 약 200kW의 전력을 생성하는 연료 전지 적층체를 사용한다. 승용차와 같은 작은 차는 약 25kW의 전력을 생성하는 연료 전지 적층체를 사용한다. 작은 고정적 전자 장치가 1kW 이하의 전력을 생성하는 연료 전지 적층체를 사용할 수 있다.
당업자는 본 발명의 필터 조립체의 원리가 일반적으로 임의의 연료전지의 작동 및 연료전지 구성에 도움을 줄 수 있음이 이해될 것이다.
다양한 연료 전지에 의해 허용가능한 오염물질의 임계 레벨은 연료전지의 디자인에 의존한다. 예를 들어, 탄화수소(메탄 또는 더 무거운 탄화수소), 암모니아, 이산화황, 일산화탄소, 실리콘 등이 촉매 상의 공간을 점유하고 그 곳의 반응을 비활성화함이 알려져 있다. 따라서, 이들 오염물질은 연료 전지의 반응 영역에 들어가기 전에 제거될 필요가 있다.
허용가능한 오염물질의 타입 오염물질의 정확한 레벨은 사용되는 촉매, 작동 조건, 촉매 과정 효율 요구조건에 따라 변한다. 본 발명의 필터 조립체는 공기가 연료 전지 작동에 사용되어 저온과 고온에서 작동하는 연료 전지 조립체들 모두에 가해지기 전에, 대기로부터 오염물질을 제거한다.
압축기 및 다른 소음 발생 장비
상술한 바와 같이, 장비(101)는 전형적으로 압축기, 팬, 송풍기, 펌프와 같은 소음(음파)을 방출하는 기류 장비 또는 공기 취급 메커니즘도 포함한다. 이러한 장비는 연료전지(102)로의 공기(산화제) 원을 제공한다. 불행하게도 기류 장비의 로터, 임펠러, 로브, 베인, 피스톤과 같은 이동 부품 및 다른 다양한 부분이 소음 또는 음파를 생성한다. 많은 예에서, 생성된 음파의 주파수는 1m에서 85 내지 135dB의 레벨에서 3 Hz 내지 30,000 Hz, 가끔 50,000Hz까지 걸친다. 기류 장비로부터 나오는 모든 소음이 혐오스러운 것은 아니지만, 본 발명이 공개하는 다양한 조립체들은 시스템의 특정한 소음 생성 부분과 관련하여 소음 프로파일의 가장 혐오스러운 부분들을 감소시키는 것에 대한 것이다.
연료전지(102)와 관련하여 사용되는 일반적인 타입의 압축기(104)는 스웨덴의 오프콘 오토로터 아베로부터 입수가능한 "리숌" 트윈 스크류 압축기이다. 이러한 타입의 압축기는 전형적으로 1m에서 135dB만큼의 레벨에서, 약 160 내지 1100 Hz의 범위의 소음 출력을 갖는다. 다른 일반적인 압축기로는 "루츠 블로워(Roots blower)" 압축기가 있다. 다른 일반적으로 사용되는 압축기에는, 피스톤 압축기, 다이어프램 압축기, 원심 압축기, 및 축류(axial) 압축기가 포함된다. 모든 압축기는 그 작동과 관련하여 소음 또는 주파수 분포를 갖는다. 이러한 분포는 압축기의 타입, 입력 및 출력 유속과 같은 변수에 의존한다. 많은 압축기에서, 주파수 분포는 하나 이상의 주파수 피크를 포함한다.
압축기는 예를 들어, 미국 캘리포니아 카마릴로 소재의 팩스턴 프로덕츠; 미국 위스콘신 케노샤 소재의 뉴마텍, 인크.; 미국 커네티컷 뉴타운 소재의 스탠다드 뉴매틱 프로덕츠, 인크.; 미국 콜로라도 볼더 소재의 바이렉스 코포레이션; 미국 캘리포니아 토런스 소재의 허니웰 엔진즈 & 시스템즈로부터 입수가능하다. 이들 압축기는 큰 공기 유동량, 전형적으로 10 g/sec 내지 40 g/sec를 갖는다.
연료전지(102)와 함께 사용될 수 있는 다른 기류 장비에는 예를 들어, 전기 구동 과급기 , 압축기 팽창기 등이 포함된다.
연료전지(102)의 작동을 최적화하기 위해, 연료전지(102)에 들어가는 공기를 종종 그 포화점에 가깝게 가습할 수 있다. 고 습도는 연료전지(102)의 전해질 막이마르거나 대전된 이온을 전달할 수 없게 될 가능성을 최소화하기 위해 바람직하다. 이러한 가습은 압축기(104)의 상류측, 필터 조립체(10)의 하류측에서 일어난다. 다르게는, 이러한 가습은 압축기의 하류측에서 이루어질 수도 있다. 공기가 건조할수록 압축기(104)를 지나가기에 적합할 수 있다.
압축기 배기 장치
필터 부재(15a)와 같은 필터 부재가 압축기(104)의 상류측에 있어 들어오는 공기 흐름으로부터 미립자와 화학 약품과 같은 오염물질을 제거하지만, 오염물질은 예를 들어 압축기(104)에 의한 것과 같이 시스템 자체에 의해 공기 흐름에 도입될 수 있다. 생성되는 소음 외에도, 압축기(104)의 빠르게 회전하는 로터, 임펠러, 로브, 베인 또는 피스톤은 틈(crevice) 또는 자국(crease) 또는 다른 안보이는 구석으로부터 또는 이동하는 부품의 표면으로부터 나오는 미세한 미립자를 낼 수 있다. 오염물질의 한 가지 타입으로는 작동중에 손상되거나 또는 약화된 압축기 내부 부품 상의 코팅에 의해 발생되는 몰리브데늄 입자가 있다. 압축기(104) 유닛은 압축기 또는 그 밀봉부를 통해 누설되어 급기 시스템에 들어가는 오일 또는 그리스와 같은 유체 오염물질원일 수도 있다. 이러한 오염물질은 연료전지 적층체에 들어가도록 허용되면 연료전지(102)의 효과적 또는 효율적인 작동에 매우 유해하거나 또는 치명적일 수 있다.
압축기 배기 장치 또는 배기 장치(103)가 도 1에 가상선으로 예시되어 있다. 몇몇 과정에서, 급기 흐름으로부터 압축기에서 생성되거나 또는 다른 오염물질을 제거하기 위해 및/또는 시스템으로부터의 소음을 더 억제하기 위해 압축기(104) 또는 다른 기류 장비의 하류측에 장치(103)와 같은 배기 장치를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 장치(103)는 예를 들어, 미립자 필터, 화학적 필터, 소음 억제기, 또는 이들의 임의의 조합체를 가질 수 있다. 장치(103)의 특정한 구성 및 배치는 상이한 연료 전지 구성에 따라 상당히 변할 수 있고, 예를 들어, 미립자 및 화학적 제거 중의 하나 또는 모두를 위한 필터 조립체(10)의 필터 부재(15)의 요망되는 효율과, 필터 조립체(10)에 의한 소음 억제 요구조건에 의존한다. 상술한 바와 같이, 몇몇 압축기(104)는 그 자체가 필터 조립체(10)의 하류측에서 공기 흐름에 물리적, 화학적 또는 두 타입 모두의 오염물질을 제공할 수 있으며, 이는 장치(103)에 의해 처리될 필요가 있다. 또한, 시스템 내의 배기 장치(103)의 위치로 인해(즉, 압축기(104)의 하류측 및 연료전지(102)에 매우 가까움), 여과 타입 및 성질과 장치(103)에 의해 효과적으로 사용될 수 있는 구성 재료가 필터 부재(15)에 사용되는 것과 상당히 다를 수 있다. 또한, 장치(103)는 이를 지나가는 공기의 습도를 증가시키기 위해 가습기를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 장치(103)는 드레인(drain), 플로팅 체크 밸브(floating check valve), 또는 다른 축적된 과다한 물을 제거하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 적절한 밸브 구성의 예가 미국 특허 제 6,009,898호[리쉬(Risch) 등]와 6,209,559호(리쉬 등)에 공개되어 있다.
배기 장치(103)의 일 실시예가 도 15 및 도 16에 배기 장치(103a)로서 도시되어 있다. 배기 장치(103a)는 입구(312a)와 출구(314a)의 경계를 정하는 하우징(311a)을 포함한다. 압축기(104)로부터의 공기는 입구(312a)를 통해 배기 장치(103a)에 들어가고, 출구(314a)를 통해 연료전지(102)로 나간다. 압축기(104)로부터의 공기는 전형적으로 약 3기압(atm)에서 370℉ 내지 400℉(188 내지 204℃)와 같은 높은 온도 및 압력이다. 이러한 조건 때문에, 하우징(311a)은 바람직하게는 316 SS 또는 321 SS와 같은 스테인리스 강 합금이다.
도 15 및 도 16의 실시예는 소음 억제 부재(319a)를 포함한다. 소음 억제 부재(319a)는 소음 폐색부(321a)와 공진기(322a)를 포함한다. 각각의 소음 폐색부(321a) 및 공진기(322a)는 각각 챔버(331a, 332a) 내에 배치된다. 챔버(331a, 332a)는 하우징(311a)과 배플(335a)에 의해 경계지어진다. 소음 폐색부(321a) 및 공진기(322a)는 원하는 피크 주파수 또는 일정 범위의 주파수를 감쇠하도록 설계될 수 있다. 압축기(104) 하류측에 존재하는 소음은 하류측인 경우 공기 유동 및 억제될 소음이 동일한 방향으로 흐른다는 점을 제외하고 일반적으로 압축기(104) 상류측의 필터 조립체(10)에서 겪는 소음과 동일하거나 적어도 유사하다. 소음 억제 부재와 공진기에 관한 상세한 정보는 상술되어 있다.
다른 실시예의 배기 장치(103)가 도 17 내지 도 20에 배기 장치(103b)로 도시되어 있다. 배기 장치(103b)는 배기 장치(103b)가 입구(312b)와 출구(314b)의 경계를 정하는 하우징을 포함하고 공기가 입구(312b)를 통해 들어가고 출구(314b)를 통해 나간다는 점에서 배기 장치(103a)와 유사하다. 도 17 내지 도 20의 실시예는 공진기(322b)를 포함하는 소음 억제 부재(319)를 더 포함한다. 배기 장치(103a)와 유사하게, 배기 장치(103b)는 하우징(311b)과 격리 배플(335b)에 의해 형성되는 두 개의 소음 감쇠 챔버(331b, 332b)를 갖는다.
배기 장치(103b)는 배기 장치(103b)를 지나가는 공기로부터 미립자, 오일,대기중의 염분을 제거하기 위해 필터 부재(315)를 포함한다. 필터 부재(315)는 배기 장치(103b) 내에 존재하는 압력과 고온에 내성을 갖는다. 필터 부재(315)의 일례는 두 단부 캡(315a, 315b) 사이에 장착되는 주름진 매체의 연장부를 포함한다. 바람직하게는, 다공성 내부 및 외부 라이너(liner) 또는 슬리브(316a, 316b)가 각각 매체를 지지해주고 보호하기 위해 매체 부근에 배치된다; 이러한 슬리브 또는 라이너는 공지되어 있다. 슬리브, 특히 외부 슬리브는 하우징(311b)에 부착되어, 필터 부재(315)가 배기 조립체(130b)로부터 제거되어 교환될 때 필터 부재(315)가 외부 슬리브로 또는 외부 슬리브로부터 슬라이딩할 수 있다.
필터 부재(315)의 필터 매체는 압축기(104) 하류측의 조건, 즉 370 내지 400℉, 약 3기압과 같은 높은 온도 및 압력과 높은 레벨의 습도 또는 습기를 견딜 수 있어야 한다. 필터 부재(315)로 사용가능한 매체의 예로는, 미국 팬실베니아 피스터빌 소재의 테트라텍 코포레이션으로부터 상업적으로 입수가능한, 아라미드 캐리어("노멕스" 재료)에 의해 지지된 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 막이 포함된다. 염분 및 오일과 같은 석유 제품이 통과하지 않게 하기 때문에 펼쳐진 PTFE 막을 사용하는 것이 바람직하다. 미국 특허 제 6,123,751호(넬슨 등)는 PTFE의 장점을 공개한다. 다른 유용한 매체로는 유리섬유 매체가 있다.
필터 부재(315)는 하우징(311b)의 형상과 유사한, 타원형과 같은 다수의 물리적 형상을 취하거나, 또는 필터 부재(315)는 원형일 수 있다. 편평한 필터 패널이 사용될 수도 있다.
단부 캡(315a)은 어떠한 유체 유동도 단부 캡(315a)을 통과하여 필터부재(315) 내측에 액세스할 수 없도록 필터 매체의 단부에 걸쳐 연장하며 이를 덮는다는 점에서 "닫힌 단부 캡"이다. 단부 캡(315a)은 실질적으로 필요에 따라 예를 들어 6각 너트(317)와 같은 부착 메커니즘을 제거하여 제거될 수 있는 필터 부재(315)의 단부에 걸친 커버이다. o-링(364)은 다공성 외부 슬리브 또는 라이너일 수 있는 필터 매체의 외부와 단부 캡(315a) 사이에 기밀성 밀봉을 제공한다. 필터 부재(315)는 하우징(311b)으로부터 제거 및 교환가능하다.
단부 캡(315b)은 "개방 단부 캡"이다; 즉, 개방 단부 캡(315b)은 그 안에 개구, 바람직하게는 중심에 위치하는 개구를 포함한다. 전형적으로 필터 부재(315)의 영구적 특징부인 단부 캡(315b)은 시트면(370; seat surface) 상에, 특히 밀봉 시트 또는 레지(373; seal seat or ledge) 상에 배치된다. o-링(374)은 레지(373)와 단부 캡(315b) 사이에 기밀성 밀봉을 제공한다.
상류측 필터 조립체 - 압축기 - 배기 필터 조립체의 조합체(combination)
압축기와 유체가 서로 통하는 하류측 배기 필터 조립체와 상류측 필터를 조합하는 본 발명의 실시예의 일례가 도 26 내지 도 28의 기류 시스템(500)에 예시되어 있다. 기류 시스템(500)은 일반적으로 약 1kW 미만의 총 출력을 제공하는 PEM 연료 전지의 적층체를 사용하는, 원격 통행 카메라(remote traffic camera) 또는 차량 레이더 검출 시스템과 함께 사용되는 것과 같이, 연료전지에 의해 작동되는 시스템과 함께 사용되는 구성이다. 이러한 저전력의 연료 전지 응용예는 앞서 설명한 대전력의 응용예보다 상당히 작은 양의 산화제(예를 들어, 공기)를 요구하고, 따라서, 이들 시스템은 훨씬 작은 압축기 또는 다른 기류 장비를 사용할 수 있다;이는 결국 조립체의 여과 부분의 전체 사이즈 요구조건을 상당히 감소시킨다.
기류 시스템(500)은 압축기(504)에 깨끗한 여과된 공기를 제공하는 상류측 필터 조립체(501)를 갖는다. 배기 필터 조립체(503)는 압축기(504)의 하류측에 위치하여 압축기(504)에 의해 공기 흐름에 도입되거나, 또는 공기 흐름이 연료 전지에 도입되기 전에 필터 조립체(501)에 의해 제거되지 않는 오염물질을 제거한다. 이 실시예에서, 압축기(504)는 작은 체적의 베인 압축기이고, 약 0.1g/sec 내지 약 0.15 g/sec의 공기 유속을 제공한다. 압축기(504)의 직경은 약 5cm이다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 필터 조립체(501)는 제 1 단부(511a)와 반대쪽 제 2 단부(511b)를 갖는 일반적으로 원통형인 하우징(511)을 갖고, 이 하우징은 입구(512)와 출구(514)를 형성한다. 하우징(511)의 직경은 압축기(504)의 직경과 유사하게 약 5cm이다. 더러운 공기는 입구(512)를 통해 필터 조립체(501)로 들어가고, 깨끗한 공기가 출구(514)를 통해 나간다. 입구(512)는 하우징(511)의 단면적과 실질적으로 동일한 영역을 점유한다. 하우징(511)은 필요에 따라 필터 조립체(501)를 장착하는데 사용될 수 있는 브라켓(523)을 포함한다.
미립자 스크린(516)은 입구(512)에 걸쳐 연장하며, 이 스크린은 큰 입자들과 오염물질을 제거하고 후술하는 여과 매체를 보호한다. 스크린(516)은 나뭇잎, 암설, 종이 및 다른 큰 오염물질을 제거할 수 있다. 미립자 여과 매체(518)는 스크린(516)의 하류측에 위치한다. 매체(518)는 종이 또는 셀룰로오스, 유리섬유, 중합체 직물 등과 같은 일반적으로 사용되는 또는 적절한 임의의 여과 매체일 수 있다. 매체(518)는 전형적으로 약 0.01 마이크로미터 이상의 미립자 오염물질을 제거한다. 매체(518)는 중합체 나노섬유와 같은 표면층 또는 처리를 포함한다. 매체(518)에 바람직한 한 가지 양호한 표면층은 나일론 공중합체와 방수 첨가제의 중합체 혼합물이며, 미국 특허 출원 제 09/871,583호에 공개되어 있고, 이온 여과 매체(EON filtration media)의 상표명 하에 도널드슨 컴패니 인크.로부터 상업적으로 입수가능하다. 여과 매체(518)는 입구(512) 전체에 걸쳐 연장하고 바람직하게는 하우징(511)에 대해 누설없는 결합을 형성하여, 입구(512)에 들어가는 모든 공기가 매체(518)를 지나가게 한다.
흡착 여과 부재(520)는 매체(518)의 하류측에 위치한다. 흡착 부재(520)는 상술한 어떠한 흡착제 재료일 수도 있지만, 본 실시예에서는, 함께 부착된 카본 입자 덩어리이다. 상술한 바와 같이 성형 또는 압출된 카본 재료는 다르게는 흡착 부재(520)로 사용될 수 있다. 흡착 부재(520)는 바람직하게는, 하우징(511)의 전체 단면적에 걸쳐 연장하여 누설없는 결합을 형성하여, 하우징(511)을 지나는 모든 공기가 흡착 부재(520)를 지나가야만 한다. 흡착 부재(520)는 어느 정도의 소음 감쇠를 제공할 수도 있다.
흡착 부재(520)의 하류측에는 흡착 부재(520)를 유지하기 위한 직물(522)이 위치한다. 직물(522)은 자유 카본 미립자 및 흡착 부재(520)로부터의 다른 재료가 이를 벗어나 통과하여 압축기(504)로 가지 못하게 한다. 또한, 흡착 부재(520)의 하류측 및 직물(522)의 하류측에는 스크린(526)이 있고, 이 스크린은 그 자체와 스크린(516) 사이에 직물(522)과 흡착 부재(520)와 매체(518)를 보유 및 지지한다.
입구(512)를 통해 스크린(516), 여과 매체(518), 흡착 부재(520),직물(522), 스크린(526)을 통과한 공기는 출구(514)를 통해 나간다. 출구(514)는 그 안에 압축기(504)의 일부분을 수용하는 사이즈 및 형상을 갖는 체적(519) 내에 존재하며, 상기 압축기의 부분은 압축기 입구(예시되지 않음)를 갖는다. 예시된 실시예에서, 하우징(511)은 압축기(504)의 정지부로서 작용하는 견부 또는 다른 특징부를 포함한다. 압축기(504)는 전체 체적(519)을 점유하거나, 또는 체적(519)의 일부분이 빈채로 남을 수 있다. 체적(519)의 임의의 남은 부분은 압축기(504)로부터 나오는 음파를 일정량 억제할 수 있다.
하우징(511)은 바람직하게는 압축기(504)와 누설없는 밀봉을 형성하여, 필터 조립체(501)와 출구(514)를 지나가는 공기가 직접 압축기(504)를 지나가고, 필터 조립체(501)를 통과하지 않은 공기는 압축기(504) 내부를 오염시킬 수 없다. 고무 밀봉부 또는 임의의 타입의 유연하고 압축가능한 밀봉부가 사용될 수 있다. 다르게는, 또는 부가적으로, 끼워 결합되는(snap-fit) 밀봉부가 사용될 수 있다. 압축기(504)의 입구로부터, 공기는 압축기(504)를 지나, 출구(504b)를 통해 나간다. 상술한 바와 같이, 압축기(504)를 지나는 공기의 유속은 약 0.1 g/sec 내지 약 0.15 g/sec이다. 약 5cm의 직경을 갖는 필터 조립체(501)는 이러한 유속에 적절한 사이즈를 갖는다.
출구(504b)는 도 28에 보다 상세히 예시된 바와 같이, 배기 필터 조립체(503)의 입구와 직접 유체가 통하게 연결된다. 배기 필터 조립체(503)는 압축기(504)에 의해 발생되었거나 또는 압축기(504) 상류측의 필터 조립체(501)를 제거되지 않고 통과했을 수 있는, 금속 입자 또는 윤활제 분무와 같은 오염물질을 제거한다.
배기 필터 조립체(503)는 입구(532)와 출구(534)를 형성하는 일반적으로 원통형인 하우징(531)을 갖는다. 하우징(531)의 중심으로부터 오프셋되어 있는, 입구(532)와 출구(534)는 각각 하우징(531)의 직경보다 훨씬 작은 직경을 갖는다. 압축기(504)로부터의 공기는 입구(532)를 통해 배기 필터 조립체(503)로 들어가고, 깨끗한 공기가 출구(534)를 통해 나간다. 하우징(531)은 필요에 따라 배기 필터 조립체(503)를 장착하는데 사용될 수 있는 브라켓(533)을 포함한다.
스크린(536)은 입구(532)의 하류측, 그리고 바람직하게는 하우징(531)의 직경에 걸쳐 연장하고, 이 스크린은 규정된 체적 내에 미립제 제거 재료(540)를 보유한다. 스크린(536)은 개구들이 이를 통해 막히지 않고 흐르도록 충분히 크기 때문에 공기 스트림으로부터 어떠한 미립자도 제거하지 않는다. 미립자, 그리고 선택적으로 액체 오염물질은 제거 재료(540)에 의해 포집된다. 제거 재료(540)는 적절한 여과 매체 또는 원하는 오염물질을 제거하기에 적절한 다른 재료일 수 있다. 제거 재료(540)는 하우징(531)의 전체에 걸쳐 연장하고, 바람직하게는 하우징(531)에 대해 누설없는 결합을 형성하여, 입구(532)에 들어오는 모든 공기가 재료(540)를 지나가게 한다.
도 28에 도시된 실시예에서, 제거 재료(540)는 제 1 깊이 충전 재료(542; first depth loading material)와 제 2 깊이 충전 재료(544)를 포함한다. 적절한 깊이 충전 재료의 일례로는 조밀한 섬유 매트 형태의 유리 섬유가 있다. 재료(542)와 재료(544)는 매트의 밀도, 섬유의 사이즈, 섬유 상의 첨가제 또는 코팅, 또는다른 특성이 서로 다를 수 있다.
제거 재료(540)의 하류측에는 미립자 여과 매체(548)가 위치한다. 매체(548)는 종이, 유리섬유, 중합체 직물 등과 같은 일반적으로 사용되는 또는 적절한 임의의 여과 매체일 수 있다. 매체(548)는 풀린 섬유(loose fiber) 또는 제거 재료(540)로부터의 다른 재료가 이를 벗어나 조립체(500)의 하류측에 위치하는 연료전지로 가지 못하게 한다. 한 가지 바람직한 매체(548)로는, 미국 특허 출원 제 09/871,583호에 설명되고 이온 여과 매체의 상표명 하에 도널드슨 컴패니 인크.로부터 상업적으로 구할 수 있는 나일론 공중합체와 방수 첨가제의 중합체 혼합물이 포함된다. 또한, 매체(548)의 하류측에는 스크린(546)이 있고, 이는 매체(548)를 지지해준다. 제거 재료(540)와 매체(548)를 지나 배기 필터 조립체(503)를 통과한 공기는 출구(534)를 통해 나가 연료전지 하류측으로 전진한다.
그러나, 본 발명이 공개한 다수의 특징과 장점이 공개한 구조 및 기능의 세부사항과 함께 상술한 설명에 제시되었지만, 이러한 공개는 단지 예시적일 뿐이고, 첨부된 청구범위 이외의, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명은 설명된 실시예, 또는 특정한 타입의 연료전지에의 용도, 또는 본원에서 설명된 특정한 구성 부분, 구조, 재료의 용도에 한정되지 않는다. 첨부된 청구범위의 넓은 범위 내에 들어오는 본 발명의 모든 다른 수정 및 변경이 포괄된다.

Claims (18)

  1. (a) 입구와 출구를 가지며, 입구는 더러운 공기를 필터 조립체로 수용하는 구조이고, 출구는 필터 조립체로부터 깨끗한 공기를 전달하는 구조인 하우징과;
    (b) 더러운 공기로부터 미립자 오염물질을 제거하는 구조 및 배치인 미립자 필터 부분을 포함하는, 하우징 내의 필터 부재와;
    (c) 필터 조립체를 지나는 음(sound)에 대해 1m에서 적어도 6dB의 광대역 소음 감쇠를 제공하는 구조 및 배치를 갖는, 하우징 내의 소음 억제 부재를 포함하는 필터 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    필터 부재는 더러운 공기로부터 화학적 오염물질을 제거하도록 배치되는 화학적 필터 부분을 더 포함하는 필터 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    화학적 필터 부분은 흡착제 재료를 포함하는 필터 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    흡착제 재료는 활성 카본, 함침된 카본, 활성 카본 섬유, 이온교환 수지, 이온교환 섬유, 알루미나, 활성 알루미나, 분자 체, 실리카로 구성된 그룹으로부터선택되는 필터 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    흡착제 재료는 염기성 표면을 갖고 산성 오염물질을 제거하는 구조 및 배치를 갖고, 산성 오염물질은 황 산화물, 질소 산화물, 황화수소, 염화수소, 휘발성 유기산 및 비휘발성 유기산 중의 하나 이상인 필터 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    흡착제 재료는 산성 표면을 갖고 염기성 오염물질을 제거하는 구조 및 배치를 갖고, 염기성 오염물질은 암모니아, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기, 비휘발성 유기 염기 중의 하나 이상인 필터 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    미립자 필터 부분은 소음 억제 부재에 방사방향으로 인접하게 배치되는 필터 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    미립자 필터 부분은 관통 흐름을 제공하는 구성인 필터 조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    소음 억제 부재는 공진기를 포함하는 필터 조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    소음 억제 부재는 상기 하우징에 의해 적어도 부분적으로 경계지어지는 필터 조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    소음 억제 부재는 필터 조립체를 지나가는 음을 10 dB이상 만큼 감쇠시키는 구조 및 배치를 갖는 필터 조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    소음 억제 부재는 약 1350 Hz 이하의 주파수 범위 내에서 6dB 이상 만큼 음을 감쇠시키는 필터 조립체.
  13. (a) 산화제 흡입 포트와 연료 흡입 포트를 갖고, 산화제 흡입 포트와 연료 흡입 포트에 각각 들어오는 산화제와 연료로부터 전력을 만드는 구성의 연료전지 조립체와;
    (b) 연료전지 조립체의 산화제 흡입 포트에 깨끗한 공기를 제공하는 구성의, 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 따른 필터 조립체를 포함하는 동력 생산시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    공기 압축기를 더 포함하는 동력 생산 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    공기 압축기는 트윈 스크류 압축기인 동력 생산 시스템.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    (a) 입구와 출구를 가지며, 입구는 압축기로부터 공기를 받아들이는 구성인 하우징과;
    (b) 하우징 내에 있으며 입구와 유체가 서로 통하고, 압축기로부터의 공기에서 오염물질을 제거하는 필터 부분을 포함하는 압축기 배기 필터 조립체를 더 포함하는 동력 생산 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    압축기 배기 필터 조립체는 하우징 내에 소음 억제 부재를 더 포함하고, 소음 억제 부재는 1m에서 6dB 이상 광대역 음 감쇠를 제공하는 구성 및 배치를 갖는 동력 생산 시스템.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    압축기 배기 필터 조립체의 필터 부분은 폴리테트라플루오르에틸렌을 포함하는 동력 생산 시스템.
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